CN112357905B - 一种氮掺杂介孔炭纳米球材料及其制备方法与应用 - Google Patents

一种氮掺杂介孔炭纳米球材料及其制备方法与应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种氮掺杂介孔炭纳米球材料及其制备方法与应用。所述氮掺杂介孔炭纳米球材料的制备方法，包括以下步骤：S1.将两亲性三嵌段共聚物溶解于乙醇‑水混合溶剂中，然后依次加入酚类化合物、乙二胺，混合均匀后，在20～100℃搅拌反应2～40h，之后固液分离后得到聚合物；S2.将聚合物在氮气气氛中于400～800℃炭化3～12h，即得氮掺杂介孔炭纳米球材料；本发明所述制备方法以醇水溶液作为溶剂，利用两种不同的两亲性三嵌段共聚物为结构导向剂，酚类化合物为炭前驱体，乙二胺为氮前驱体和催化剂，通过一步水溶液法制备得到氮掺杂介孔炭纳米球材料。所述氮掺杂介孔炭纳米球材料具有表面粗糙、和均匀分散的优点，可以用于细胞吸附和药物运载中。

Description

一种氮掺杂介孔炭纳米球材料及其制备方法与应用
技术领域
本发明涉及药物载体材料领域，更具体地，涉及一种氮掺杂介孔炭纳米球材料及其制备方法与应用。
背景技术
在过去的几十年里，由于在生物医药、催化、工业吸附、能源转化与储存等方面的广泛运用，介孔炭材料制备方法得到了迅速发展，特别是介孔炭纳米球具有良好的分散性，热稳定性和粒径均一可控等优点，成为了科学工作者热点关注之一。然而，炭纳米球的表面缺乏足够的活性位点以及高度疏水性，在诸多运用领域被限制，通过将氮掺杂介孔炭纳米球材料进行功能化，即氮原子杂化，可以显著提高材料的表面极性和亲水性，并增强其表面碱性，这些问题可以得到有效解决。
目前，介孔炭纳米球的合成主要包括硬模板法、水热法、软模板法。其中，硬模板法一般需要采用二氧化硅作为模板，其制备过程复杂、耗时且不可避免地需要使用有害溶剂(如HF)来去除硅。水热法也可用于合成氮掺杂介孔炭纳米球材料，如现有技术中国专利CN107381535A(公开日为2017-11-24)公开了一种通过水热法处理得到有序介孔炭微球的合成方法，然而所获得材料主要集中在微米级别。现有技术中国专利CN109850863A(公开日为2019-06-07)公开了采用水热法制备得到一种类齿轮状介孔炭纳米球材料，其水热反应过程需要较高的温度(130～160℃)，导致难以得到稳定的胶束以及高温下模板强烈变化，容易导致粒子之间发生粘结且粒径不均一。此外，水热法在高温高压下进行反应，对仪器要求较高，容器体积小，阻碍了其规模化生产。软模板是一种较为理想的合成途径，操作简便，流程简单，但是需要使用有害溶剂甲醛作为交联剂合成酚醛树脂。因此，采用步骤简便、原料绿色的方法合成小于200nm的单分散氮掺杂介孔炭纳米球材料依旧存在瓶颈，需要一种新的制备方法，制备得到表面粗糙，粒径低于200nm的单分散氮掺杂介孔炭纳米球。
发明内容
本发明的目的在于提供一种氮掺杂介孔炭纳米球材料的制备方法，以获得表面粗糙程度不一的氮掺杂介孔炭纳米球材料，其避免甲醛和酸的使用，操作简单，原料绿色易得，可控性强。
本发明的另一个目的是提供一种氮掺杂介孔炭纳米球材料，所述氮掺杂介孔炭纳米球材料的表面粗糙，分子粒径均一，分子尺寸小于等于200nm，具有较高氮含量和孔容。
本发明的又一个目的是提供所述氮掺杂介孔炭纳米球材料的应用。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种氮掺杂介孔炭纳米球材料的制备方法，包括以下步骤：
S1.将两亲性三嵌段共聚物溶解于乙醇-水混合溶剂中，然后依次加入酚类化合物、乙二胺，混合均匀后，在20～100℃搅拌反应2～40h，之后固液分离后得到聚合物；
S2.将聚合物在氮气气氛中于400～800℃炭化3～12h，即得氮掺杂介孔炭纳米球材料；
所述两亲性三嵌段共聚物由第一种三嵌段共聚物和第二种三嵌段共聚物组成；所述第一种三嵌段共聚物为三嵌段共聚物F127、三嵌段共聚物F108、三嵌段共聚物F68中的一种；所述第二种三嵌段共聚物为三嵌段共聚物P123、三嵌段共聚物P103中的一种；
所述第一种三嵌段共聚物与第二种三嵌段共聚物的质量比为(0.3～7)：(0.2～7.9)；
所述两亲性三嵌段共聚物与酚类化合物的质量比(1～4)：1；
所述酚类化合物的质量与乙二胺的体积之比为(1～3)g：1mL。
本发明所述两亲性三嵌段共聚物为聚环氧乙烯-聚环氧丙烯-聚环氧乙烯类三嵌段共聚物(PE0-PPO-PEO)，其中EO为环氧乙烷，作为亲水端；PO为环氧丙烷，作为疏水端。
本发明所述三嵌段共聚物F127的分子式为EO106PO70EO106；三嵌段共聚物F108的分子式为EO141PO44EO141；三嵌段共聚物F68的分子式为EO80PO30EO80，三嵌段共聚物P123的分子式为EO20PO70EO20；三嵌段共聚物P103的分子式为E017PO56EO17。
本发明首先以乙醇-水混合溶剂作为溶剂，利用两种不同的两亲性三嵌段共聚物为结构导向剂，酚类化合物为炭前驱体，乙二胺为氮前驱体和催化剂。在乙二胺的催化下，通过有机-有机自组装成聚合物，然后通过在氮气气氛下焙烧聚合物，制得表面粗糙氮掺杂的介孔炭纳米球材料。其中，发明人发现，在乙醇-水混合溶剂中两种两亲性三嵌段共聚物形成亲水内核和疏水外壳的胶束，然后再在乙二胺得自催化下，和酚类化合物、乙二胺形成三重氢键，交联聚合并进一步自组装混合胶束球。此外，本发明通过利用两种不同的三嵌段共聚物，两种不同的三嵌段共聚物具有不同分子量的亲水端和疏水端，在形成胶束的时候容易形成表面凹凸不平的胶束球，并在进一步自组装过程中放大这种凹凸程度，最后形成表面粗糙的材料。因此通过改变两种两亲性三嵌段共聚物的质量比，可以控制纳米球的表面粗糙程度。另外，在此反应体系下通过改变乙醇的量可以调控介孔炭纳米球的尺寸。
优选地，本发明所述酚类化合物为苯酚、间苯二酚、间苯三酚、3-氨基酚中的一种。
优选地，本发明所述乙醇-水混合溶剂为乙醇和水的混合溶剂，所述水与乙醇的体积比为1：(0.25～9)，优选地，所述水与乙醇的体积比为3：1。
优选地，所述两亲性三嵌段共聚物与酚类化合物的质量比2：1；
优选地，所述酚类化合物的质量与乙二胺的体积之比为2g：1mL。
本发明步骤S1中所述乙二胺为液体，采用滴加的方式加入到反应体系，所述滴加的速度为10～50s滴加一滴(0.05～0.1mL/一滴)。更优选地，所述滴加的速度为30s滴加一滴。
优选地，本发明步骤S1中所述的搅拌反应温度为20～100℃，时间为2～40h。更优选地，步骤S1中所述的搅拌反应温度为70℃，时间为14h。
本发明所述步骤S2中，将聚合物在氮气气氛中，自室温起以1～8℃/min的升温速度升温至400～800℃，炭化时间为3～12h。
优选地，所述第一种三嵌段共聚物为F108；所述第二种三嵌段共聚物为P123。
优选地，所述第一种三嵌段共聚物与第二种三嵌段共聚物的质量比为1：3。
本发明还提供了一种氮掺杂介孔炭纳米球材料。所述氮掺杂介孔炭纳米球材料由上述制备方法制备而成。所述的氮掺杂介孔炭纳米球材料的表面粗糙、分子粒径均一、分子尺寸小于等于200nm，具有较高氮含量和孔容，特别适用于细胞吸附和药物运载。
此外，因为小粒径更有利于在体内的传输，球状可以缩短客体分子的扩散路径，而表面粗糙具有更强的黏附能力，本发明所制备得到的表面粗糙、粒径小于200nm的单分散的介孔炭纳米球可以有效增强材料的细胞吸附吞噬和药物运载能力。因此本发明所述氮掺杂介孔炭纳米球材料在细胞吸附和药物运载中的应用也应在本发明的保护范围内。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明所述制备方法以醇水溶液作为溶剂，利用两种不同的两亲性三嵌段共聚物为结构导向剂，酚类化合物为炭前驱体，乙二胺为氮前驱体和催化剂，通过一步水溶液法制备得到氮掺杂介孔炭纳米球材料。本发明所述制备方法反应条件温和、反应原料易得，且可以避免有毒物质甲醛的使用，绿色环保，有利于规模化生产。本发明所述氮掺杂介孔炭纳米球材料的粒径小于200nm具有表面粗糙、均匀分散和富氮含量的优点，可以用于细胞吸附和药物运载中，更能有效用于难溶性药物运载。
附图说明
图1为实施例1制备的氮掺杂介孔炭纳米球材料的扫描电镜图。
图2为对比例1制备的氮掺杂介孔炭纳米球材料的扫描电镜图。
图3为对比例2制备的氮掺杂介孔炭纳米球材料的透射电镜图。
图4为对比例5制备的氮掺杂介孔炭纳米球材料的透射电镜图。
图5为实施例1制备的氮掺杂介孔炭纳米球材料的N2吸附/脱附等温线。
图6为实施例3制备的氮掺杂介孔炭纳米球材料的透射电镜图。
图7为实施例5制备的氮掺杂介孔炭纳米球材料的透射电镜图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。实施例及对比例中的原料均可通过市售得到或可通过已知方法制备得到。
本发明实施例中所述的两亲性三嵌段共聚物均购自Sigma-Aldrich公司。
实施例1
一种氮掺杂介孔炭纳米球材料的制备方法，包括如下步骤：
S1.将三嵌段共聚物P123和三嵌段共聚物F108投入到乙醇-水混合溶剂中，其中三嵌段共聚物P123与三嵌段共聚物F108的质量比为1：3，乙醇-水混合溶剂中乙醇和水的体积比为1：7，在30℃搅拌至完全溶解，然后加入间苯三酚，三嵌段共聚物与酚类化合物的质量比为2:1，搅拌，然后以30s/滴的速率缓慢滴加乙二胺，酚类化合物的质量与乙二胺的体积之比2g:1mL，将所得的溶液在70℃下搅拌反应14h，之后进行离心分离，水洗2次、烘干，得到聚合物；
S2.将烘干后的聚合物在氮气气氛下，以3℃/min的升温速度升温至800℃，之后在800℃下加热3h，即可得到氮掺杂介孔炭纳米球材料。
实施例2～12和对比例1～5
实施例和对比例的氮掺杂介孔炭纳米球材料的制备方法的基本与实施例1相同，不同之处如表1所示：
表1
Figure BDA0002720329880000051
实施例13
一种氮掺杂介孔炭纳米球材料的制备方法，包括如下步骤：
S1.将三嵌段共聚物P123和三嵌段共聚物F108投入到乙醇-水混合溶剂中，其中三嵌段共聚物P123与三嵌段共聚物F108的质量比为1：3，乙醇-水混合溶剂中乙醇和水的体积比为1：7，在30℃搅拌至完全溶解，然后加入间苯三酚，三嵌段共聚物与酚类化合物的质量比为2:1，搅拌，然后以30s/滴的速率缓慢滴加乙二胺，酚类化合物的质量与乙二胺的体积之比2g:1mL，将所得的溶液在100℃下搅拌反应2h，之后进行离心分离，水洗2次、烘干，得到聚合物；
S2.将烘干后的聚合物在氮气气氛下，以3℃/min的升温速度升温至400℃，之后在400℃下加热12h，即可得到氮掺杂介孔炭纳米球材料。
实施例14
一种氮掺杂介孔炭纳米球材料的制备方法，包括如下步骤：
S1.将三嵌段共聚物P123和三嵌段共聚物F108投入到乙醇-水混合溶剂中，其中三嵌段共聚物P123与三嵌段共聚物F108的质量比为1：3，乙醇-水混合溶剂中乙醇和水的体积比为1：7，在30℃搅拌至完全溶解，然后加入间苯三酚，三嵌段共聚物与酚类化合物的质量比为2:1，搅拌，然后以30s/滴的速率缓慢滴加乙二胺，酚类化合物的质量与乙二胺的体积之比2g:1mL，将所得的溶液在20℃下搅拌反应40h，之后进行离心分离，水洗2次、烘干，得到聚合物；
S2.将烘干后的聚合物在氮气气氛下，以3℃/min的升温速度升温至800℃，之后在800℃下加热3h，即可得到氮掺杂介孔炭纳米球材料。
测试
将上述实施例和对比例制备得到的氮掺杂介孔炭纳米球材料进行扫描电镜、透射电镜和N2吸附-脱附曲线测试。
其中，N2吸附-脱附曲线测试的测试方法条件如下：采用BET比表面积测试仪进行测试，于120℃条件下对氮掺杂介孔炭纳米球材料脱气，分析测试在-196℃液氮环境下进行，氮掺杂介孔炭纳米球材料比表面积采用BET(Brunauer-Emmett-Teller)模式，总孔容是根据相对压力(P/P0)为0.99时氮气吸附量计算得到。
图1为实施例1所制得的氮掺杂介孔炭纳米球材料的扫描电镜图。从图中可以看出，所获得的氮掺杂介孔炭纳米球材料的粒径为165nm左右，粒子之间均匀分散，同时可以很明显地看出所获得的炭纳米球材料表面是不光滑的，具有一些凸起的部分，说明其表面是粗糙的。
图2为对比例1所制得的氮掺杂介孔炭纳米球材料的扫描电镜图，从图中可以发现，虽然对比例1制备得到表面粗糙、粒径100nm左右的氮掺杂介孔炭纳米球材料，但粒子之间发生了严重的粘连，图3为对比例2所制得的氮掺杂介孔炭纳米球材料的透射电镜图，很明显地可以看出，所获得的材料为表面光滑的大粒径氮掺杂介孔炭纳米球材料，粒径高达600nm，表面并没有凸起部分。对比例3在合成过程中发生了非常严重的团聚体析出，主要是由于发生了宏观相分离。对比例4中，反应结束后溶液呈现透明状态，只收集到极少量产物。图4为对比例5所制得的氮掺杂介孔炭纳米球材料，从图中可以看出，所制备得到的是粒径在100-700nm的氮掺杂介孔炭纳米球材料材料，表面虽然也呈现为粗糙性质，但粒径非常不均一。
图5为实施例1所制得的氮掺杂介孔炭纳米球材料的N2吸附/脱附等温线。测得实施例1所制得的氮掺杂介孔炭纳米球材料的比表面积为563m2/g，总孔容为1.15cm3/g，孔径为3.8nm，氮含量为7.6wt％。
图6为实施例3所制得的氮掺杂介孔炭纳米球材料的透射电镜图。图7为实施例5所制得的氮掺杂介孔炭纳米球材料的透射电镜图。从图6～7中可以看出，这些实施例所制得的氮掺杂纳米球材料表面粗糙，粒径均小于200nm。其它实施例所制得的氮掺杂介孔炭纳米球材料粒径均小于等于200nm，粒径大多在140～200nm，表面也均粗糙。例如，实施例2中，所获得的氮掺杂介孔炭纳米球材料粒径在200nm左右，均匀分散，表面粗糙；实施例4中，所获得的氮掺杂介孔炭纳米球材料粒径在160nm左右，均匀分散，表面粗糙明显；实施例9中，所获得的氮掺杂介孔炭纳米球材料粒径在170nm左右，均匀分散，表面粗糙明显；实施例10中，氮掺杂介孔炭纳米球材料粒径下降，大概在140nm左右，均匀分散，表面粗糙；实施例11中粒径在150nm左右，均匀分散，表面粗糙但表面凸起部分减少，粗糙度较下降；实施例13中，氮掺杂介孔炭纳米球材料粒径均一性较差一些，氮掺杂介孔炭纳米球材料在200nm左右；实施例14中，所获得的氮掺杂介孔炭纳米球材料粒径在160nm左右，均匀分散，表面凸起明显，具有明显的粗糙表面。此外，实施例所获得的氮掺杂介孔炭纳米球材料的氮含量基本保持在7.6wt％左右。
从上述测试结果可以看出，上述实施例所得的氮掺杂介孔炭纳米球材料具有表面粗糙、均匀分散和富氮含量的优点，符合细胞吸附和药物运载的要求，能进行相应的应用。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种氮掺杂介孔炭纳米球材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.将两亲性三嵌段共聚物溶解于乙醇-水混合溶剂中，然后依次加入间苯三酚、乙二胺，混合均匀后，在20～100℃搅拌反应2～40h，之后固液分离后得到聚合物；
S2.将聚合物在氮气气氛中于400～800℃炭化3～12h，即得氮掺杂介孔炭纳米球材料；
所述两亲性三嵌段共聚物由第一种三嵌段共聚物和第二种三嵌段共聚物组成；所述第一种三嵌段共聚物为三嵌段共聚物F127、三嵌段共聚物F108、三嵌段共聚物F68中的一种；所述第二种三嵌段共聚物为三嵌段共聚物P123、三嵌段共聚物P103中的一种；
所述第一种三嵌段共聚物与第二种三嵌段共聚物的质量比为(0.3～7)：(0.2～7.9)；
所述两亲性三嵌段共聚物与间苯三酚的质量比(1～4)：1；
所述间苯三酚的质量与乙二胺的体积之比为(1～3)g：1mL。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述乙醇-水混合溶剂为乙醇和水的混合溶剂，所述乙醇与水的体积比为1：(0.25～9)。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述两亲性三嵌段共聚物与间苯三酚的质量比2：1。
4.根据权利要求1或3所述的制备方法，其特征在于，所述间苯三酚的质量与乙二胺的体积之比为2g：1mL。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S1中所述的搅拌反应温度为70℃，时间为14h。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第一种三嵌段共聚物为F108；所述第二种三嵌段共聚物为P123。
7.根据权利要求1或6所述的制备方法，其特征在于，所述第一种三嵌段共聚物与第二种三嵌段共聚物的质量比为1：3。
8.一种氮掺杂介孔炭纳米球材料，其特征在于，由权利要求1～7任一项所述制备方法制备而成。
9.权利要求8所述氮掺杂介孔炭纳米球材料在细胞吸附和药物运载中的应用。
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