RU2558582C1 - Method of producing biocompatible nanoporous spherical particles of silicon oxide with controlled external diameter (versions) - Google Patents

Method of producing biocompatible nanoporous spherical particles of silicon oxide with controlled external diameter (versions) Download PDF

Info

Publication number
RU2558582C1
RU2558582C1 RU2014127933/05A RU2014127933A RU2558582C1 RU 2558582 C1 RU2558582 C1 RU 2558582C1 RU 2014127933/05 A RU2014127933/05 A RU 2014127933/05A RU 2014127933 A RU2014127933 A RU 2014127933A RU 2558582 C1 RU2558582 C1 RU 2558582C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
particles
teos
ctab
silicon oxide
nanoporous
Prior art date
Application number
RU2014127933/05A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Александр Владимирович Сульдин
Александр Николаевич Доронин
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "Нанолек"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество с ограниченной ответственностью "Нанолек" filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "Нанолек"
Priority to RU2014127933/05A priority Critical patent/RU2558582C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2558582C1 publication Critical patent/RU2558582C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: chemistry.
SUBSTANCE: method of producing biocompatible nanoporous spherical particles of silicon oxide includes synthesis in a reaction mixture of tetraethoxysilane (TEOS) with NH3, water (H2O), alcohol (C2H5OH) and cetyltrimethylammonium bromide (C16H33N(CH3)3Br - CTAB) in molar ratio TEOS:NH3:H2O:C2H5OH:CTAB of 1:19:370:230:0.2, with intense stirring at a rate of 125-250 min-1 at temperature of 5-80°C for 2-3 hours to form, during hydrolysis of TEOS in an alcohol-water-ammonia medium, orthosilicic acid Si(OH)4 monomers, condensation of the monomers to form primary particles with size of 3-5 nm, coagulation of said particles, after which the obtained particles are roasted in air at temperature of 550°C for 15 hours to remove organic substances. In another version, nanoporous silicon oxide particles are obtained by synthesis using cetyltrimethylammonium bromide C16H33N(CH3)3Br (CTAB) with concentration of up to 0.007 mol.·l-1 as a structure-forming agent, wherein synthesis is carried out via hydrolysis of tetraethoxysilane (Si(OC2H5)4 - TEOS) in a CTAB-ethanol-water-ammonia medium at temperature of 5-80°C for 2-3 hours with molar ratio TEOS:NH3:H2O:C2H5OH:CTAB of 1:19:370:230:0.2, thereby forming, in the reaction mixture, cylindrical micelles coated with a layer of SiO2, which are organised into blocks, and then roasting the obtained materials at 550°C to remove organic substances and obtain nanopores inside the spherical particles.
EFFECT: obtaining biocompatible nanoporous spherical silicon oxide particles with a controlled external diameter, having a regular channel internal structure.
2 cl, 10 dwg, 2 ex

Description

Изобретение относится к области наноструктурированных биосовместимых материалов, в частности, к сферическому пористому кремниевому наноносителю. The invention relates to the field of nanostructured biocompatible materials, in particular, to a spherical porous silicon nanocarrier.

Нанопористые материалы на основе аморфного кремнезема начали синтезировать и исследовать около 20 лет назад. Одним из первых таких объектов стал порошкообразный материал МСМ-41 [2_01,2_02]. Частицы МСМ-41 различной (произвольной) формы и размеров имеют высокую удельную поверхность (до 1100 м2 г-1 по методу Брунауэра-Эммета-Теллера [2_01]). Типичный метод синтеза МСМ-41 заключается в самоорганизации поликремниевых кислот в присутствии поверхностно-активного вещества [2_01] в гидротермальных условиях. Синтез проводят в течение двух-трех суток в автоклаве при температуре 150°C без перемешивания реакционной смеси. Затем полученный материал сушат и отжигают при температуре 550°C для удаления органических веществ. Структура конечного продукта синтеза представляет собой гексагональную упаковку мезопористых каналов, стенки которых состоят из аморфного SiO2 [2_02,2_03]. Используя в синтезе различные ПАВ, можно регулировать размер пор от 1,6 до 10 нм [2_03]. Сразу после открытия эти материалы нашли широкое применение в качестве носителей катализаторов в различных областях промышленности, как адсорбенты для очистки воды и воздуха от примесей и т.д. [2_04,2_05]. Однако данные материалы не подходят для биомедицинских применений в качестве транспортирующих лекарства агентов, так как они имеют произвольную форму и размер частиц [2_02], что не позволяет контролировать кинетику адсорбции и десорбции лекарственных препаратов. Кроме того, материалы типа МСМ-41 могут обладать острыми гранями, при попадании в организм они будут оказывать местное раздражающее действие.Amorphous silica-based nanoporous materials were synthesized and studied about 20 years ago. One of the first such objects was the powder material MSM-41 [2_01,2_02]. Particles of MCM-41 of various (arbitrary) shapes and sizes have a high specific surface (up to 1100 m 2 g -1 according to the Brunauer-Emmett-Teller method [2_01]). A typical synthesis method for MCM-41 is the self-organization of polysilicic acids in the presence of a surfactant [2_01] under hydrothermal conditions. The synthesis is carried out for two to three days in an autoclave at a temperature of 150 ° C without stirring the reaction mixture. Then the resulting material is dried and annealed at a temperature of 550 ° C to remove organic substances. The structure of the final synthesis product is a hexagonal packing of mesoporous channels, the walls of which consist of amorphous SiO 2 [2_02,2_03]. Using various surfactants in the synthesis, it is possible to adjust the pore size from 1.6 to 10 nm [2_03]. Immediately after the discovery, these materials found wide application as catalyst supports in various industries, as adsorbents for purifying water and air from impurities, etc. [2_04,2_05]. However, these materials are not suitable for biomedical applications as drug transporting agents, since they have an arbitrary shape and particle size [2_02], which does not allow to control the kinetics of drug adsorption and desorption. In addition, materials of the MCM-41 type may have sharp edges; if they enter the body, they will have a local irritant effect.

Учитывая изложенное, авторами разработан способ синтеза нанопористых частиц размером 300-3000 нм, имеющих сферическую форму, которые состоят из блоков плотноупакованных нанотрубок SiO2 размером в десятки нанометров. Условия синтеза обеспечивают формирование блоков и их агрегацию в частицы сферической формы.Based on the foregoing, the authors developed a method for the synthesis of nanoporous particles with a size of 300-3000 nm, having a spherical shape, which consist of blocks of densely packed SiO 2 nanotubes tens of nanometers in size. The synthesis conditions ensure the formation of blocks and their aggregation into particles of a spherical shape.

В указанных условиях синтезированы экспериментальные образцы пористых сферических частиц оксида кремния, обладающих упорядоченной внутренней структурой наноканалов. Объем пор составляет 40-60% от общего объема частиц, удельная поверхность сферических частиц оксида кремния 500-800 м2 г-1.Under these conditions, experimental samples of porous spherical particles of silicon oxide with an ordered internal structure of nanochannels were synthesized. The pore volume is 40-60% of the total particle volume, the specific surface of spherical particles of silicon oxide is 500-800 m 2 g -1 .

Технология производства сферической пористой структуры нанокремния состоит в получении биосовместимых кремниевых нанопористых сферических частиц оксида кремния посредством синтеза в реакционной смеси ТЭОС:NH3:H2O:C2H5OH:ЦТАБ при интенсивном перемешивании. Для удаления органических веществ полученные материалы отжигали на воздухе. В указанных условиях синтезированы экспериментальные образцы пористых сферических частиц оксида кремния, обладающих упорядоченной внутренней структурой наноканалов. Объем пор составляет 40-60% от общего объема частиц, удельная поверхность сферических частиц оксида кремния 500-800 м2 г-1.The production technology of the spherical porous structure of nanosilicon consists in obtaining biocompatible silicon nanoporous spherical particles of silicon oxide by synthesis in the reaction mixture TEOS: NH3: H2O: C2H5OH: CTAB with vigorous stirring. To remove organic substances, the resulting materials were annealed in air. Under these conditions, experimental samples of porous spherical particles of silicon oxide with an ordered internal structure of nanochannels were synthesized. The pore volume is 40-60% of the total particle volume, the specific surface of spherical particles of silicon oxide is 500-800 m 2 g -1 .

Технический результат - способ обеспечивает получение биосовместимых кремниевых нанопористых сферических частиц оксида кремния с контролируемым внешним диаметром в диапазоне 300-3000 нм, имеющих регулярную канальную внутреннюю структуру. Т.е. заявленный способ позволяет синтезировать пористые сферические частицы оксида кремния, обладающие упорядоченной внутренней структурой наноканалов. Объем пор составляет 40-60% от общего объема частиц, удельная поверхность сферических частиц оксида кремния 500-800 м2 г-1.EFFECT: method provides obtaining biocompatible silicon nanoporous spherical particles of silicon oxide with a controlled external diameter in the range of 300-3000 nm, having a regular channel internal structure. Those. The claimed method allows to synthesize porous spherical particles of silicon oxide having an ordered internal structure of nanochannels. The pore volume is 40-60% of the total particle volume, the specific surface of spherical particles of silicon oxide is 500-800 m 2 g -1 .

Технический результат достигается вариантами изобретения: способом получения биосовместимых нанопористых сферических частиц оксида кремния с контролируемым внешним диаметром, включающим синтез в реакционной смеси тетраэтоксисилана (ТЭОС) с NH3, водой (H2O), спиртом (С2Н5ОН) и цетилтриметиламмоний бромидом (C16H33N(CH3)3Br - ЦТАБ) в мольном соотношении ТЭОС:NH3:H2O:С2Н5ОН:ЦТАБ, равном 1:19:370:230:0,2, при интенсивном перемешивании со скоростью 125-250 мин-1 при температуре 5-80°C в течение 2-3 ч с, образованием в процессе гидролиза ТЭОС в спирто-водно-аммиачной среде мономеров ортокремниевой кислоты Si(OH)4, конденсация мономеров с формированием первичных частиц размером 3-5 нм, их коагуляция, после чего полученные частицы отжигают на воздухе при температуре 550°C в течение 15 часов для удаления органических веществ иThe technical result is achieved by the variants of the invention: a method for producing biocompatible nanoporous spherical particles of silicon oxide with a controlled outer diameter, including synthesis in a reaction mixture of tetraethoxysilane (TEOS) with NH 3 , water (H2O), alcohol (C 2 H 5 OH) and cetyltrimethylammonium bromide (C 16 H 33 N (CH 3 ) 3 Br - CTAB) in a molar ratio of TEOS: NH 3 : H 2 O: C 2 H 5 OH: CTAB equal to 1: 19: 370: 230: 0.2, with vigorous stirring with at a speed of 125-250 min -1 at a temperature of 5-80 ° C for 2-3 hours, the formation of TEOS in the alcohol-water-ammonia during hydrolysis in an environment of orthosilicic acid monomers Si (OH) 4 , condensation of monomers with the formation of primary particles of 3-5 nm in size, their coagulation, after which the obtained particles are annealed in air at a temperature of 550 ° C for 15 hours to remove organic substances and

способом получения биосовместимых нанопористых сферических частиц оксида кремния с контролируемым внешним диаметром, включающим получение нанопористых частиц оксида кремния с использованием цетилтриметиламмоний бромида C16H33N(CH3)3Br (ЦТАБ) концентрацией до 0,007 мол. л-1 в качестве структурообразующего вещества, причем синтез проводится посредством гидролиза тетраэтоксисилана (Si(OC2H5)4 - ТЭОС) в ЦТАБ-этанол-водно-аммиачной среде при температуре 5-80°C в течение 2-3 ч при мольном соотношении ТЭОС:NH3:H2O: С2Н5ОН:ЦТАБ, равном 1:19:370:230:0,2, за счет чего в реакционной смеси формируются цилиндрические мицеллы, покрытые слоем SiO2, которые организуются в блоки, а затем для удаления органических веществ полученные материалы отжигают при 550°C для получения внутри сферических частиц нанопор.a method for producing biocompatible nanoporous spherical particles of silicon oxide with a controlled outer diameter, including the production of nanoporous particles of silicon oxide using cetyltrimethylammonium bromide C 16 H 33 N (CH 3 ) 3 Br (CTAB) with a concentration of up to 0.007 mol. l -1 as a structure-forming substance, and the synthesis is carried out by hydrolysis of tetraethoxysilane (Si (OC 2 H 5 ) 4 - TEOS) in a CTAB-ethanol-water-ammonia medium at a temperature of 5-80 ° C for 2-3 hours at molar the ratio of TEOS: NH 3 : H 2 O: C 2 H 5 OH: CTAB equal to 1: 19: 370: 230: 0.2, due to which cylindrical micelles coated with a layer of SiO 2 are formed in the reaction mixture, which are organized into blocks and then, to remove organic substances, the obtained materials are annealed at 550 ° C to obtain nanopores inside spherical particles.

Для синтеза нанопористых сферических частиц оксида кремния использована методика, аналогичная методике Штобера, применяемая для синтеза непористых кремнеземных сфер [2_06]. Ключевыми стадиями метода Штобера являются формирование первичных частиц нанометрого размера и их последующая агрегация между собой [2_07]. Образовавшиеся в процессе гидролиза ТЭОС в спирто-водно-аммиачной среде мономеры ортокремниевой кислоты Si(OH)4 конденсируются с формированием первичных частиц размером 3-5 нм [2_08,2_09]. Процесс образования первичных частиц лимитируется кинетикой реакции гидролиза, среднеквадратичное отклонение размеров этих частиц обратно пропорционально их радиусу [2 07]. Размер частиц увеличивается до 10-20 нм (в зависимости от концентрации реагентов, pH и температуры реакционной смеси [2 09] и начинается их коагуляция [2_07,2_09.2_10]. Агрегативная устойчивость системы зависит, в первую очередь, от концентрации аммиака, которая определяет толщину двойного электрического слоя и поверхностный заряд частиц [2 07]. В результате образуются непористые субмикронные частицы SiO2 сферической формы.For the synthesis of nanoporous spherical particles of silicon oxide, a technique similar to the Stober method used for the synthesis of nonporous silica spheres was used [2_06]. The key stages of the Stober method are the formation of primary nanometer-sized particles and their subsequent aggregation among themselves [2_07]. The monomers of orthosilicic acid Si (OH) 4 formed during TEOS hydrolysis in an alcohol – water – ammonia medium condense with the formation of primary particles 3-5 nm in size [2_08,2_09]. The formation of primary particles is limited by the kinetics of the hydrolysis reaction, the standard deviation of the sizes of these particles is inversely proportional to their radius [2 07]. Particle size increases to 10–20 nm (depending on the concentration of reagents, pH, and temperature of the reaction mixture [2 09] and coagulation begins [2_07,2_09.2_10]. The aggregate stability of the system depends primarily on the concentration of ammonia, which determines the thickness of the double electric layer and the surface charge of the particles [2 07]. As a result, non-porous submicron SiO 2 particles of a spherical shape are formed.

Нанопористые частицы оксида кремния синтезируются темплатным методом с использованием цетилтриметиламмоний бромида C16H33N(СН3)3Br в качестве структурообразующего вещества. Синтез проводится посредством гидролиза тетраэтоксисилана (Si(OC2H5)4) в ПАВ-спирто(этанол)-водно-аммиачной среде. При концентрации ПАВ, превышающей критическую концентрацию мицеллообразования [2_11], в реакционной смеси формируются цилиндрические мицеллы. Одновременно продукты гидролиза ТЭОС начинают конденсироваться на поверхности мицелл. За счет Ван-дер-Ваальсовых сил эти цилиндрические мицеллы, покрытые слоем SiO2, организуются в блоки [2_12,2_13].Nanoporous silica particles are synthesized using the template method using cetyltrimethylammonium bromide C 16 H 33 N (CH 3 ) 3 Br as a structure-forming substance. The synthesis is carried out by hydrolysis of tetraethoxysilane (Si (OC 2 H 5 ) 4 ) in a surfactant-alcohol (ethanol) -water-ammonia medium. When the surfactant concentration exceeds the critical micelle formation concentration [2_11], cylindrical micelles are formed in the reaction mixture. At the same time, the products of TEOS hydrolysis begin to condense on the micelle surface. Due to the van der Waals forces, these cylindrical micelles coated with a layer of SiO 2 are organized into blocks [2_12,2_13].

Когда в реакционной смеси присутствует большое количество таких блоков ПАВ-SiO2, система становится агрегативно неустойчивой, что приводит к их коагуляции. Приближенное аналитическое выражение для эффективности столкновений Броуновских коллоидных частиц (блоков ПАВ-SiO2), испытывающих электростатическое отталкивание двойных электрических слоев на их поверхности может быть записано в форме уравнения Аррениуса [2_14,2_15]When a large number of such surfactant-SiO 2 blocks are present in the reaction mixture, the system becomes aggregatively unstable, which leads to their coagulation. An approximate analytical expression for the collision efficiency of Brownian colloidal particles (SAW-SiO 2 blocks) experiencing electrostatic repulsion of double electric layers on their surface can be written in the form of the Arrhenius equation [2_14,2_15]

Figure 00000001
Figure 00000001

где Emax - высота потенциального бальера, равная, согласно теории ДЛФО, разности энергии электростатического отталкивания и энергии Ван-дер-Ваальсова притяжения частиц; k - постоянная Больцмана; Т - температура, F - частотный фактор, зависящий от концентрации частиц (блоков ПАВ-SiO2).where E max is the height of the potential barrier, equal, according to the theory of DLVO, the difference between the energy of electrostatic repulsion and the energy of the van der Waals attraction of particles; k is the Boltzmann constant; T is the temperature, F is the frequency factor, depending on the concentration of particles (surfactant-SiO 2 blocks).

В процессе синтеза подбирались условия, необходимые для одновременного формирования блоков плотноупакованных цилиндрических мицелл и контролируемой их коагуляции в агрегаты сферической формы. Как видно из уравнения, определяющее влияние на вероятность коагуляции частиц при соударениях оказывает температура. Прикрепление блоков друг к другу, вероятно, происходит с участием мономеров ортокремниевой кислоты (H4SiO4), присутствующих в реакционной смеси.In the synthesis process, the conditions necessary for the simultaneous formation of blocks of close-packed cylindrical micelles and their controlled coagulation into spherical aggregates were selected. As can be seen from the equation, temperature determines the decisive influence on the probability of particle coagulation during collisions. The attachment of the blocks to each other probably occurs with the participation of orthosilicic acid monomers (H 4 SiO 4 ) present in the reaction mixture.

ПРИМЕР 1.EXAMPLE 1

Способ получения биосовместимых нанопористых сферических частиц оксида кремния с контролируемым внешним диаметром включает синтез в реакционной смеси тетраэтоксисилана (ТЭОС) с NH3, водой (H2O), спиртом (С2Н5ОН) и цетилтриметиламмоний бромидом (C16H33N(СН3)3Br - ЦТАБ) в мольном соотношении ТЭОС:NH3:H2O:С2Н5ОН:ЦТАБ, равном 1:19:370:230:0,2, при интенсивном перемешивании со скоростью 125-250 мин-1 при температуре 5-80°C в течение 2-3 ч с образованием в процессе гидролиза ТЭОС в спирто-водно-аммиачной среде мономеров ортокремниевой кислоты Si(OH)4; конденсация мономеров с формированием первичных частиц размером 3-5 нм, их коагуляция, после чего полученные частицы отжигают на воздухе при температуре 550°C в течение 15 часов для удаления органических веществ.A method for producing biocompatible nanoporous spherical particles of silicon oxide with a controlled outer diameter involves the synthesis of tetraethoxysilane (TEOS) with NH 3 , water (H2O), alcohol (C 2 H 5 OH) and cetyltrimethylammonium bromide (C 16 H 33 N (CH 3 ) 3 Br - CTAB) in a molar ratio of TEOS: NH 3 : H 2 O: C 2 H 5 OH: CTAB equal to 1: 19: 370: 230: 0.2, with vigorous stirring at a speed of 125-250 min -1 at a temperature of 5-80 ° C for 2-3 hours with the formation during the hydrolysis of TEOS in an alcohol-water-ammonia medium monomers of orthosilicic acid Si (OH) 4; condensation of monomers with the formation of primary particles with a size of 3-5 nm, their coagulation, after which the obtained particles are annealed in air at a temperature of 550 ° C for 15 hours to remove organic substances.

ПРИМЕР 2.EXAMPLE 2

Способ получения биосовместимых нанопористых сферических частиц оксида кремния с контролируемым внешним диаметром включает получение нанопористых частиц оксида кремния с использованием цетилтриметиламмоний бромида C16H33N(СН3)3Br (ЦТАБ) концентрацией до 0,007 мол. л-1 в качестве структурообразующего вещества, причем синтез проводится посредством гидролиза тетраэтоксисилана (Si(OC2H5)4 - ТЭОС) в ЦТАБ-этанол-водно-аммиачной среде при температуре 5-80°C в течение 2-3 ч при мольном соотношении ТЭОС:NH3:H2O:С2Н5ОН:ЦТАБ, равном 1:19:370:230:0,2, за счет чего в реакционной смеси формируются цилиндрические мицеллы, покрытые слоем SiO2, которые организуются в блоки, а затем для удаления органических веществ полученные материалы отжигают при 550°C для получения внутри сферических частиц нанопор.A method for producing biocompatible nanoporous spherical particles of silicon oxide with a controlled outer diameter involves the preparation of nanoporous particles of silicon oxide using cetyltrimethylammonium bromide C 16 H 33 N (CH 3 ) 3 Br (CTAB) with a concentration of up to 0.007 mol. l -1 as a structure-forming substance, and the synthesis is carried out by hydrolysis of tetraethoxysilane (Si (OC 2 H 5 ) 4 - TEOS) in a CTAB-ethanol-water-ammonia medium at a temperature of 5-80 ° C for 2-3 hours at molar the ratio of TEOS: NH 3 : H 2 O: C 2 H 5 OH: CTAB equal to 1: 19: 370: 230: 0.2, due to which cylindrical micelles coated with a layer of SiO 2 are formed in the reaction mixture, which are organized into blocks and then, to remove organic substances, the obtained materials are annealed at 550 ° C to obtain nanopores inside spherical particles.

Способ по примеру 1 и 2 иллюстрируется нижеследующими фигурами получения биосовместимых нанопористых сферических частиц оксида кремния.The method according to examples 1 and 2 is illustrated by the following figures for the preparation of biocompatible nanoporous spherical particles of silicon oxide.

На фиг. 1 показано изменение оптической плотности реакционной смеси во время синтеза сферических частиц SiO2 по методу Штобера (1) и нанопористых сферических частиц из оксида кремния (2).In FIG. Figure 1 shows the change in the optical density of the reaction mixture during the synthesis of spherical particles of SiO 2 according to the Stober method (1) and nanoporous spherical particles of silicon oxide (2).

Для удаления органических веществ полученные материалы отжигали при 550°C. Во время ТО внутри сферических частиц образовывались нанопоры.To remove organic substances, the resulting materials were annealed at 550 ° C. During TO, nanopores formed inside spherical particles.

Для регистрации момента появления частиц во время синтеза измерялась оптическая плотность реакционной смеси (фиг. 1). Для подтверждения адекватности используемой методики измерения также исследовался процесс образования непористых сферических частиц SiO2, которые, как известно, образуются по агрегативному механизму [2_07]. Сначала при температуре 30°C в стеклянной колбе приготавливалась соответствующая реакционная смесь (без ТЭОС) объемом 0.5 л. После 10 мин интенсивного перемешивания в смесь вливали ТЭОС, и этот момент принимался за начало отсчета времени реакции. После гомогенизации раствора, происходящей при перемешивании за время ~0.5 мин, 4 мл смеси переливали в оптическую кювету из полистирола размером 1×1×4 см, которая предварительно была установлена на оптической оси установки для измерения спектров пропускания между линзой, фокусирующей световой пучок, и линзой, собирающей прошедший свет, на фокусном расстоянии обеих линз. Спектр пропускания реакционной смеси измерялся с помощью спектрометра Ocean Optics 4000 в диапазоне 500-1000 нм с интервалом в 15 с, время регистрации одного спектра составляло 0.1 с. На фиг. 1 приведены зависимости оптической плотности реакционной смеси от времени реакции t: D=-lg(T), где Т - коэффициент пропускания на длине волны 700 нм, где отсутствуют полосы поглощения, связанные с колебаниями атомов, входящих в состав компонентов реакционной смеси.To register the moment of appearance of particles during synthesis, the optical density of the reaction mixture was measured (Fig. 1). To confirm the adequacy of the measurement technique used, we also studied the formation of non-porous spherical particles of SiO 2 , which, as is known, are formed by the aggregative mechanism [2_07]. First, at a temperature of 30 ° C, a corresponding reaction mixture (without TEOS) with a volume of 0.5 L was prepared in a glass flask. After 10 min of vigorous stirring, TEOS was poured into the mixture, and this moment was taken as the reference point for the reaction time. After homogenizing the solution during stirring for ~ 0.5 min, 4 ml of the mixture was transferred into a 1 × 1 × 4 cm polystyrene optical cuvette, which was previously installed on the optical axis of the setup for measuring transmission spectra between the lens focusing the light beam, and a lens that collects transmitted light at the focal length of both lenses. The transmission spectrum of the reaction mixture was measured using an Ocean Optics 4000 spectrometer in the range of 500-1000 nm with an interval of 15 s, the recording time of one spectrum was 0.1 s. In FIG. Figure 1 shows the dependences of the optical density of the reaction mixture on the reaction time t: D = -log (T), where T is the transmission coefficient at a wavelength of 700 nm, where there are no absorption bands associated with vibrations of atoms that make up the components of the reaction mixture.

Для обоих синтезов в течение первых минут оптическая плотность не меняется. Вероятно, в этот промежуток времени в реакционной смеси происходит формирование блоков ПАВ-SiO2 при синтезе нанопористых частиц или первичных частиц в случае синтеза по методу Штобера. Так как размер этих частиц во всех случаях достаточно мал (~15-20 нм) по сравнению с длиной волны света (700 нм), то свет практически не рассеивается.For both syntheses, the optical density does not change during the first minutes. It is likely that during this period of time in the reaction mixture the formation of surfactant-SiO 2 blocks occurs during the synthesis of nanoporous particles or primary particles in the case of synthesis according to the Stober method. Since the size of these particles in all cases is quite small (~ 15-20 nm) compared with the wavelength of light (700 nm), the light practically does not scatter.

На фиг. 2 показано изображение внешней поверхности нанопористых сферических частиц из оксида кремния, нанесенных на кремниевую подложку.In FIG. Figure 2 shows an image of the outer surface of nanoporous spherical particles of silicon oxide deposited on a silicon substrate.

В дальнейшем наблюдается резкий рост оптической плотности вследствие того, что, по-видимому, свет рассеивается на частицах, имеющих размер, сравнимый с длиной волны. Столь быстрое появление крупных частиц может быть объяснено только в рамках агрегативной модели формирования нанопористых частиц. Субмикронные частицы образуются в результате коагуляции блоков ПАВ-SiO2 за времена 5-10 мин. Из-за недостаточного динамического диапазона чувствительности спектрометра нам не удалось зафиксировать выход значения оптической плотности на постоянное значение, однако видно, что для всех синтезов зависимость D(t) в конце рассматриваемого интервала времен становится более пологой, что свидетельствует о том, что процесс роста частиц вступил в завершающую стадию. Таким образом, результаты оптического эксперимента подтверждают агрегативный механизм формирования нанопористых сферических частиц из оксида кремния.Subsequently, a sharp increase in optical density is observed due to the fact that, apparently, light is scattered on particles having a size comparable to the wavelength. Such a rapid appearance of large particles can be explained only within the framework of the aggregative model of the formation of nanoporous particles. Submicron particles are formed as a result of coagulation of surfactant-SiO 2 blocks in 5-10 minutes. Due to the insufficient dynamic range of the sensitivity of the spectrometer, we were not able to fix the output of the optical density value to a constant value, however, it is clear that for all syntheses, the dependence D (t) at the end of the considered time interval becomes more gentle, which indicates that the particle growth process entered the final stage. Thus, the results of an optical experiment confirm the aggregative mechanism of the formation of nanoporous spherical particles of silicon oxide.

На фиг. 2 представлено АСМ изображение поверхности нанопористых сферических частиц SiO2, нанесенных на кремниевую подложку. Средний размер сфер составляет 1100 нм. На АСМ изображении видна шероховатость поверхности частиц, которая, вероятно, коррелирует с размером блоков плотноупакованных трубок кремнезема (до отжига - блоков ПАВ-SiO2). Химические реактивы и эксперимент.In FIG. Figure 2 shows the AFM image of the surface of nanoporous spherical SiO 2 particles deposited on a silicon substrate. The average size of the spheres is 1100 nm. On the AFM image, the surface roughness of the particles is visible, which probably correlates with the block size of the close-packed silica tubes (before annealing, surfactant-SiO 2 blocks). Chemical reagents and experiment.

В работе использованы следующие вещества и реагенты: ЦТАБ C16H33N(CH3)3Br, 99%; водный раствор аммиака, 24 масс. %, ≥99.99%; этанол (С2Н5ОН), 95.7%; деионизованная вода с сопротивлением 10 МОм и тетраэтоксисилан, 99%. ТЭОС был подвергнут фракционной перегонке, отбиралась фракция, имеющая температуру кипения Tb=166-168°C. Специальной подготовки и очистки других реагентов не проводилось.The following substances and reagents were used in the work: CTAB C 16 H 33 N (CH 3 ) 3 Br, 99%; an aqueous solution of ammonia, 24 mass. %, ≥99.99%; ethanol (C 2 H 5 OH), 95.7%; deionized water with a resistance of 10 MΩ and tetraethoxysilane, 99%. TEOS was subjected to fractional distillation, a fraction was selected having a boiling point T b = 166-168 ° C. Special preparation and purification of other reagents was not carried out.

На фиг. 3 показана схема установки для синтеза нанопористых сферических частиц оксида кремния. 1 - жидкостной термостат, 2 - реакционный сосуд, 3 - программируемое перемешивающее устройство.In FIG. 3 shows a diagram of an apparatus for the synthesis of nanoporous spherical particles of silicon oxide. 1 - liquid thermostat, 2 - reaction vessel, 3 - programmable mixing device.

Синтез нанопористых сферических частиц из оксида кремния проводили при температурах 5-80°C в установке, схема которой показана на фиг. 3. При интенсивном перемешивании (200 мин-1) приготавливалась реакционная смесь H2O-C2H5OH-NH3-ЦТАВ. Через 10 мин в смесь вливали ТЭОС. Оптимальная мольная концентрация ЦТАБ составляла 0.007 мол.·л-1, что приблизительно в 5 раз больше ККМ-критическая концентрация мицеллообразования [2_11].The synthesis of nanoporous spherical particles from silicon oxide was carried out at temperatures of 5-80 ° C in a setup, the scheme of which is shown in FIG. 3. With vigorous stirring (200 min -1 ) the reaction mixture H 2 OC 2 H 5 OH-NH 3 -CTAB was prepared. After 10 minutes, TEOS was poured into the mixture. The optimal molar concentration of CTAB was 0.007 mol · L -1 , which is approximately 5 times the CMC critical concentration of micelle formation [2_11].

Мольные соотношения реагентов ТЭОС:NH3:H2O:C2H5OH:ЦТАБ составляли 1:19:370:230:0.2. Продолжительность синтезов составляла 2-3 ч. Для удаления органических веществ полученные материалы отжигали на воздухе при 550°C в течение 15 ч.The molar ratios of TEOS: NH 3 : H 2 O: C 2 H 5 OH: CTAB reagents were 1: 19: 370: 230: 0.2. The duration of the syntheses was 2-3 hours. To remove organic substances, the obtained materials were annealed in air at 550 ° C for 15 hours.

Оптимизация технологических параметров процесса синтеза.Optimization of technological parameters of the synthesis process.

Управляя температурой реакционной смеси, мы контролировали процесс коагуляции, что обеспечило получение заданного конечного среднего диаметра сферических частиц (фиг. 4). Средний размер частиц определяли методом динамического светорассеяния. По-видимому, при увеличении температуры реакционной смеси происходит увеличение количества центров нуклеации вследствие более быстрого протекания химических реакций в системе, поэтому из одних и тех же количеств ТЭОС и ПАВ образуется большее количество частиц меньшего диаметра.By controlling the temperature of the reaction mixture, we controlled the coagulation process, which ensured the receipt of a given final average diameter of spherical particles (Fig. 4). The average particle size was determined by dynamic light scattering. Apparently, an increase in the temperature of the reaction mixture leads to an increase in the number of nucleation centers due to faster chemical reactions in the system; therefore, from the same amounts of TEOS and surfactant, a larger number of particles with a smaller diameter are formed.

На фиг. 4 показана зависимость среднего диаметра нанопористых сферических частиц кремнезема от температуры реакционной смеси (мольные соотношения реагентов ТЭОС:NH3:H2O:С2Н5ОН:ЦТАБ составляли 1:19:370:230:0.2).In FIG. Figure 4 shows the dependence of the average diameter of nanoporous spherical silica particles on the temperature of the reaction mixture (molar ratios of TEOS: NH 3 : H 2 O: C 2 H 5 OH: CTAB reagents were 1: 19: 370: 230: 0.2).

При повышении температуры реакционной смеси более 80°C частицы становятся несферическими (фиг. 6), диаметр частиц уменьшается до 95 нм. Кроме того, шероховатость поверхности частиц, вероятно, равная размеру блоков ПАВ-SiO2 (размер блока, по нашим оценкам, составляет ~15 нм), становится сравнимой с размером самих частиц. Несферичность 95 нм частиц обусловлена неодинаковым количеством блоков в каждой частице, вследствие вероятностного характера процесса коагуляции. Количество блоков, образующих частицу, пропорционально кубу отношения диаметров частицы и блока. Например, 95 нм частица состоит всего из приблизительно 150 блоков ПАВ-SiO2, поэтому несколько добавочных блоков, скоагулировавших с ней, могут значительно изменить ее размер и форму. Частицы диаметром 400 нм (фиг. 5) состоят уже из 20000 блоков диаметром 15 нм, добавление нескольких десятков блоков практически не повлияет на форму частицы.When the temperature of the reaction mixture rises above 80 ° C, the particles become non-spherical (Fig. 6), the particle diameter decreases to 95 nm. In addition, the surface roughness of the particles, probably equal to the size of the surfactant-SiO 2 blocks (the block size, according to our estimates, is ~ 15 nm), becomes comparable with the size of the particles themselves. The non-sphericity of 95 nm particles is due to the unequal number of blocks in each particle, due to the probabilistic nature of the coagulation process. The number of blocks forming a particle is proportional to the cube of the ratio of particle and block diameters. For example, a 95 nm particle consists of only about 150 surfactant-SiO 2 blocks, so several additional blocks that coagulated with it can significantly change its size and shape. Particles with a diameter of 400 nm (Fig. 5) already consist of 20,000 blocks with a diameter of 15 nm; the addition of several tens of blocks will practically not affect the particle shape.

СЭМ микрофотографии нанопористых частиц кремнезема средним диаметром 400 нм (фиг. 5) и 95 нм (фиг. 6).SEM micrographs of nanoporous silica particles with an average diameter of 400 nm (Fig. 5) and 95 nm (Fig. 6).

Процесс синтеза оптимизировался с целью достижения максимального значения удельной поверхности частиц (фиг. 7). Удельная поверхность материала рассчитывалась из изотерм адсорбции-десорбции азота в интервале относительных давлений 0,05≤р/р0≤0,15 по методу Брунауэра-Эммета-Теллера. Видно, что значение Sуд выходит на насыщение при концентрации ПАВ (ЦТАБ), равной 0.007 мол.·л-1. Увеличение концентрации также ведет к увеличению среднего диаметра частиц (фиг. 8), что обусловлено увеличением объема пор. Дальнейшее увеличение концентрации реагента ведет к образованию частиц несферической формы и сросшихся (двойных, тройных) частиц. По-видимому, при постоянной концентрации ТЭОС и постепенном увеличении концентрации ПАВ наступает момент, когда продуктов гидролиза тетраэтоксисилана не хватает, чтобы покрыть все мицеллы ПАВ, присутствующие в реакционной смеси. Оставшиеся мицеллы могут адсорбироваться на внешней поверхности частиц, нейтрализуя их поверхностный заряд, т.к. гидрофильные части мицелл заряжены положительно, а поверхность SiO2 - отрицательно. Энергия электростатического отталкивания частиц уменьшается, и частицы коагулируют, образуя агрегаты несферической формы. Распределение пор по размерам определялось исходя из результатов азотной адсорбционной порометрии с использованием нелокальной теории функционала плотности [2_16]. Средний диаметр пор составил 3,0 нм.The synthesis process was optimized in order to achieve the maximum value of the specific surface of the particles (Fig. 7). The specific surface of the material was calculated from nitrogen adsorption-desorption isotherms in the range of relative pressures of 0.05 ≤ p / p 0 ≤ 0.15 according to the Brunauer-Emmett-Teller method. It is seen that the value of Ssp reaches saturation at a surfactant concentration (CTAB) equal to 0.007 mol. L -1 . An increase in concentration also leads to an increase in the average particle diameter (Fig. 8), which is due to an increase in pore volume. A further increase in the concentration of the reagent leads to the formation of non-spherical particles and fused (double, triple) particles. Apparently, with a constant concentration of TEOS and a gradual increase in the concentration of surfactants, there comes a time when the hydrolysis products of tetraethoxysilane are not enough to cover all surfactant micelles present in the reaction mixture. The remaining micelles can be adsorbed on the outer surface of the particles, neutralizing their surface charge, because the hydrophilic parts of the micelles are positively charged, and the surface of SiO 2 is negatively charged. The energy of electrostatic repulsion of particles decreases, and the particles coagulate, forming aggregates of a non-spherical shape. The pore size distribution was determined based on the results of nitrogen adsorption porosimetry using the nonlocal density functional theory [2_16]. The average pore diameter was 3.0 nm.

Распределение пор по размерам является узким, величина среднеквадратичного отклонения составляет 0,15 нм (5%). Объем пор (наноканалов) вычислялся из изотерм адсорбции азота при относительном давлении р/р0→1 и составил 40-60% от объема нанопористых сферических частиц оксида кремния. Указанные характеристики нанопористых сферических частиц кремнезема удовлетворяют требуемым параметрам.The pore size distribution is narrow, the standard deviation is 0.15 nm (5%). The pore volume (nanochannels) was calculated from nitrogen adsorption isotherms at a relative pressure p / p0 → 1 and amounted to 40-60% of the volume of nanoporous spherical particles of silicon oxide. The indicated characteristics of nanoporous spherical silica particles satisfy the required parameters.

Фиг. 7 - зависимость удельной поверхности нанопористых частиц кремнезема от концентрации ЦТАБ (температура синтеза 65°C).FIG. 7 - dependence of the specific surface of nanoporous silica particles on the concentration of CTAB (synthesis temperature 65 ° C).

Фиг. 8 - зависимость среднего диаметра частиц нанопористых частиц кремнезема от концентрации ЦТАБ (температура синтеза 65°C).FIG. 8 - dependence of the average particle diameter of nanoporous silica particles on the concentration of CTAB (synthesis temperature 65 ° C).

Фиг. 9 - зависимость электрокинетического потенциала нанопористых частиц кремнезема диаметром 300 нм от рН дисперсионной среды.FIG. 9 - dependence of the electrokinetic potential of nanoporous silica particles with a diameter of 300 nm on the pH of the dispersion medium.

Суспензия нанопористых сферических частиц кремнезема стабильна в щелочной области (фиг. 9.9) и агрегативно неустойчива вблизи изоэлектрической точки (pH~3). Исходя из этого, синтез частиц проводили с добавлением в реакционную смесь гидроксида аммония, что увеличивало электростатическое отталкивание блоков ПАВ-SiO2. Скорость коагуляции уменьшалась, блоки имели возможность образовать при коагуляции наиболее термодинамически выгодную сферическую форму. Из фиг. 9 видно, что значение ЭКП практически выходит на насыщение при значениях pH~11. Зависимость водородного показателя среды от концентрации аммиака C N H 3 H 2 O

Figure 00000002
определяется соотношениемThe suspension of nanoporous spherical silica particles is stable in the alkaline region (Fig. 9.9) and aggregatively unstable near the isoelectric point (pH ~ 3). Based on this, the synthesis of particles was carried out with the addition of ammonium hydroxide to the reaction mixture, which increased the electrostatic repulsion of surfactant-SiO 2 blocks. The coagulation rate decreased, the blocks were able to form the most thermodynamically favorable spherical shape during coagulation. From FIG. Figure 9 shows that the EPC value almost reaches saturation at pH ~ 11. The dependence of the hydrogen index of the medium on the concentration of ammonia C N H 3 H 2 O
Figure 00000002
determined by the ratio

Figure 00000003
Figure 00000003

где К=1.76·10-5 при 25°C - константа диссоциации NH4OH.where K = 1.76 · 10 -5 at 25 ° C is the dissociation constant of NH 4 OH.

При pH=11 получаем, что максимальный поверхностный заряд частиц будет достигнут при

Figure 00000004
Данная концентрация аммиака является оптимальной, дальнейшее увеличение концентрации приводит к увеличению скорости процесса гидролиза ТЭОС, катализатором которого также является гидроксид аммония [2_06,2_08]. Это в свою очередь приводит к образованию непористых частиц, так как продукты гидролиза ТЭОС (мономеры Si(OH)4) не успевают продиффундировать к поверхности цилиндрических мицелл, поэтому мономеры ортокремниевой кислоты конденсируются с образованием полисилоксанов, и, впоследствии, частиц гидратированного SiO2.At pH = 11, we obtain that the maximum surface charge of the particles will be achieved at
Figure 00000004
This concentration of ammonia is optimal, a further increase in the concentration leads to an increase in the rate of hydrolysis of TEOS, the catalyst of which is also ammonium hydroxide [2_06,2_08]. This in turn leads to the formation of non-porous particles, since the products of TEOS hydrolysis (Si (OH) 4 monomers) do not have time to diffuse to the surface of cylindrical micelles, therefore, orthosilicic acid monomers condense to form polysiloxanes, and, subsequently, particles of hydrated SiO 2 .

Было обнаружено, что скорость перемешивания реакционной смеси оказывает существенное влияние на форму и размер частиц (фиг. 10). При малой скорости перемешивания (<125 мин-1), по-видимому, в реакционной смеси не достигается одинакового соотношения реагентов, возникают локальные пересыщения. Это приводит к отклонению концентраций реагентов от оптимальных значений, и образуются несферические частицы. При скоростях перемешивания>250 мин-1 наблюдался турбулентный режим перемешивания, синтезируемые частицы также получались несферическими вследствие того, что при турбулентном режиме образовывались как цилиндрические, так и сферические мицеллы, что приводило к образованию блоков ПАВ-SiO2 различного размера и формы.It was found that the rate of mixing of the reaction mixture has a significant effect on the shape and size of the particles (Fig. 10). At a low stirring speed (<125 min -1 ), apparently, the same ratio of reagents is not achieved in the reaction mixture, local supersaturations occur. This leads to a deviation of the reagent concentrations from the optimal values, and nonspherical particles are formed. At mixing speeds> 250 min -1 , a turbulent mixing mode was observed, the synthesized particles were also obtained non-spherical due to the fact that both cylindrical and spherical micelles formed in the turbulent mode, which led to the formation of surfactant-SiO 2 blocks of various sizes and shapes.

Фиг. 10 - зависимость среднего диаметра нанопористых частиц кремнезема от скорости перемешивания реакционной смеси (температура синтеза 65°C).FIG. 10 - dependence of the average diameter of nanoporous silica particles on the rate of mixing of the reaction mixture (synthesis temperature 65 ° C).

Экспериментально установлено, что оптимальные мольные соотношения реагентов ТЭОС:NH3:H2O:C2H5OH:ЦТАБ составляют 1:19:370:230:0.2, скорость перемешивания - 200 мин-1. Изменение концентрации приводит увеличению дисперсии размеров частиц, к агрегации субмикронных сфер или появлению частиц несферической формы. Средний диаметр частиц можно изменять, варьируя температуру реакционной смеси.It was experimentally established that the optimal molar ratios of TEOS: NH 3 : H 2 O: C 2 H 5 OH: CTAB reagents are 1: 19: 370: 230: 0.2, and the stirring speed is 200 min -1 . A change in concentration leads to an increase in the dispersion of particle sizes, to the aggregation of submicron spheres or the appearance of particles of a non-spherical shape. The average particle diameter can be changed by varying the temperature of the reaction mixture.

В указанных условиях для первичных исследований синтезированы экспериментальные образцы пористых сферических частиц оксида кремния диаметром 300÷3000 нм, обладающих упорядоченной внутренней структурой наноканалов диаметром 3,0 нм (<5%). Объем пор составляет 40-60% от общего объема частиц, удельная поверхность сферических частиц оксида кремния 500-800 м2 г-1.Under these conditions, for primary studies, experimental samples of porous spherical particles of silicon oxide with a diameter of 300–3000 nm, with an ordered internal structure of nanochannels with a diameter of 3.0 nm (<5%), were synthesized. The pore volume is 40-60% of the total particle volume, the specific surface of spherical particles of silicon oxide is 500-800 m 2 g -1 .

Список литературыBibliography

[1_1] O. Bisi, S. Ossicini, L. Pavesi. Porous silicon: a quantum sponge structure for silicon based optoelectronics. // Surface Science Reports 38. 1 (2000), p. 1-126.[1_1] O. Bisi, S. Ossicini, L. Pavesi. Porous silicon: a quantum sponge structure for silicon based optoelectronics. // Surface Science Reports 38.1 (2000), p. 1-126.

[1_2] Electrochemistry of Silicon and Its Oxide. // Xiaoge Gregory Zhang.: Kluwer academic publishers. New York, Boston, Dordrecht, London, Moscow. 2001.[1_2] Electrochemistry of Silicon and Its Oxide. // Xiaoge Gregory Zhang .: Kluwer academic publishers. New York, Boston, Dordrecht, London, Moscow. 2001.

[1_3] X.G. Zhang, Morphology and formation mechanisms of porous silicon. // J. Electro-chem. Soc. 151 (2004) C69-C80.[1_3] X.G. Zhang, Morphology and formation mechanisms of porous silicon. // J. Electro-chem. Soc. 151 (2004) C69-C80.

[1_4] V. Lehmann, U. Gosele, Porous Si: quantum sponge structures grown via a self-adjusting etching process. // Adv. Mater. 4 (1992) 114-116.[1_4] V. Lehmann, U. Gosele, Porous Si: quantum sponge structures grown via a self-adjusting etching process. // Adv. Mater. 4 (1992) 114-116.

[1_5] В.П. Улин, С.Г.Конников. Природа процессов электрохимического порообразования в кристаллах А3В5 (Часть II). // ФТП, вып. 7 (2007), стр. 867-877.[1_5] V.P. Ulin, S.G. Konnikov. The nature of the processes of electrochemical pore formation in A 3 B 5 crystals (Part II). // FTP, vol. 7 (2007), pp. 867-877.

[2_01] Kresge С.Т., Leonowicz М. Е., Roth W. J., Vartuli J. С, Beck J. S. Ordered mesoporous molecular sieves synthesized by a liquid-crystal template mechanism //Nature. 1992. V. 359. N. 6397. P. 710-712.[2_01] Kresge S. T., Leonowicz M. E., Roth W. J., Vartuli J. C., Beck J. S. Ordered mesoporous molecular sieves synthesized by a liquid-crystal template mechanism // Nature. 1992. V. 359. N. 6397. P. 710-712.

[2_02] Beck J. S., Vartuli J. C, Roth W. J., Leonowicz M. E., Kresge С.Т., Schmitt K. D., Chu T. W. C, Olson D. H., Sheppard E. W. A new family of mesoporous molecular sieves prepared with liquid crystal templates // J. Amer. Chem. Soc. 1992. V. 114. N. 27. P. 10834-10843.[2_02] Beck JS, Vartuli J. C, Roth WJ, Leonowicz ME, Kresge S.T., Schmitt KD, Chu TW C, Olson DH, Sheppard EW A new family of mesoporous molecular sieves prepared with liquid crystal templates // J . Amer. Chem. Soc. 1992. V. 114. N. 27. P. 10834-10843.

[2_03] Zhao D., Feng J., Huo Q., Melosh N., Fredrickson G. H., Chmelka B. F., Stucky G. D. Triblock copolymer syntheses of mesoporous silica with periodic 50 to 300 angstrom pores // Science. 1998. V. 279. N. 5350. P. 548-552.[2_03] Zhao D., Feng J., Huo Q., Melosh N., Fredrickson G. H., Chmelka B. F., Stucky G. D. Triblock copolymer syntheses of mesoporous silica with periodic 50 to 300 angstrom pores // Science. 1998. V. 279. N. 5350. P. 548-552.

[2_04] Pham H. N., Datye A. K. Synthesis of attrition-resistant heterogeneous catalysts using templated mesoporous silica. Patent USA, N 6548440. 15.04.2003.[2_04] Pham H. N., Datye A. K. Synthesis of attrition-resistant heterogeneous catalysts using templated mesoporous silica. Patent USA, N 6548440. 04.15.2003.

[2_05] Schluter R. D., Perry L. Application of mesoporous molecular sieves as selective smoke filtration additives. Patent USA, N 2005/0268925. 08.12.2005.[2_05] Schluter R. D., Perry L. Application of mesoporous molecular sieves as selective smoke filtration additives. Patent USA, N 2005/0268925. 12/08/2005.

[2_06] Stober W., Fink A., Bohn E. Controlled growth of monodisperse silica spheres in the micron size range // J. Colloid. Interface Sci. 1968. V. 26. P. 62-69.[2_06] Stober W., Fink A., Bohn E. Controlled growth of monodisperse silica spheres in the micron size range // J. Colloid. Interface Sci. 1968. V. 26. P. 62-69.

[2_07] Van Blaaderen A., van Geest J., Vrij A. Monodisperse colloidal silica spheres from tetraalkoxysilanes: Particle formation and growth mechanism. // J. Colloid. Interface Sci. V. 154. N 2. P. 481-501.[2_07] Van Blaaderen A., van Geest J., Vrij A. Monodisperse colloidal silica spheres from tetraalkoxysilanes: Particle formation and growth mechanism. // J. Colloid. Interface Sci. V. 154. N 2. P. 481-501.

[2_08] LaMer V. K., Dinegar R. H. Theory, production and mechanism of formation of monodispersed hydrosols.// J. Am. Chem. Soc. 1950. V. 72. P. 4847-4854.[2_08] LaMer V. K., Dinegar R. H. Theory, production and mechanism of formation of monodispersed hydrosols.// J. Am. Chem. Soc. 1950. V. 72. P. 4847-4854.

[2_09] Masalov V. M., Sukhinina N. S., Kudrenko E. A., Emelchenko G. A. Mechanism of formation and nanostructure of Stober silica particles. // Nanotechnology. 2011. V. 22. P. 275718.[2_09] Masalov V. M., Sukhinina N. S., Kudrenko E. A., Emelchenko G. A. Mechanism of formation and nanostructure of Stober silica particles. // Nanotechnology. 2011. V. 22. P. 275718.

[2_10] Matsoukas Т., Gulari E. Monomer-addition growth with a slow initiation step: A growth model for silica particles from alkoxides. // J. Colloid. Interface Sci. 1989. V. 132. N. 1. P. 13-21.[2_10] Matsoukas T., Gulari E. Monomer-addition growth with a slow initiation step: A growth model for silica particles from alkoxides. // J. Colloid. Interface Sci. 1989. V. 132. N. 1. P. 13-21.

[2_11] Поверхностно-активные вещества. Справочник // Под. ред. А.А. Абрамзона и Г. М. Гаевого. Авторы: Абрамзон А. А., Бочаров В. В., Гаевой Г. М., Майофис А. Д., Майофис Р. М., Маташкина Р. М., Сквирский Л. Я., Чистяков Б. Е., Шульц Л. А.: Химия, 1979. 376 с. [2_11] Surfactants. Reference // Under. ed. A.A. Abramzon and G. M. Gayevoy. Authors: Abramzon A. A., Bocharov V. V., Gaevoy G. M., Mayofis A. D., Mayofis R. M., Matashkina R. M., Skvirsky L. Ya., Chistyakov B. E., Schulz, L.A.: Chemistry, 1979. 376 p.

[2_12] Tan В., Rankin S. Е. Interfacial Alignment Mechanism of Forming Spherical Silica with Radially Oriented Nanopores. // J. Phys. Chem. B. 2004. V. 108. P. 20122-20129.[2_12] Tan B., Rankin S. E. Interfacial Alignment Mechanism of Forming Spherical Silica with Radially Oriented Nanopores. // J. Phys. Chem. B. 2004. V. 108. P. 20122-20129.

[2_13] Zhao D., Feng J., Huo Q., Melosh N., Fredrickson G. H., Chmelka B. F. Stucky G. D. Triblock Copolymer Syntheses of Mesoporous Silica with Periodic 50 to 300 Angstrom Pores. // Science. 1998. V. 279. P. 548-552.[2_13] Zhao D., Feng J., Huo Q., Melosh N., Fredrickson G. H., Chmelka B. F. Stucky G. D. Triblock Copolymer Syntheses of Mesoporous Silica with Periodic 50 to 300 Angstrom Pores. // Science. 1998. V. 279. P. 548-552.

[2_14] Ruckenstein E., Prieve D. C. Rate of Deposition of Brownian Particles under the Influence of London and Double-Layer Force // J. Chem. Soc. Faraday Trans. 1973. V. 69. P. 1522-1530.[2_14] Ruckenstein E., Prieve D. C. Rate of Deposition of Brownian Particles under the Influence of London and Double-Layer Force // J. Chem. Soc. Faraday Trans. 1973.V. 69.P. 1522-1530.

[2_15] Spielman L. A., Friedlander S. K. Role of electrical double- layer in particle deposition by convective diffusion. // J. Colloid. Interface Sci. 1974. V. 46. P. 22-31.[2_15] Spielman L. A., Friedlander S. K. Role of electrical double-layer in particle deposition by convective diffusion. // J. Colloid. Interface Sci. 1974. V. 46. P. 22-31.

[2_16] Jaronec M., Kruk M., Olivier J. P., Koch S. A new method for the accurate size analysis of MCM-41 and other silica-based mesoporous materials // Stud. Surf. Sci. Catal. 2000. V. 128. P. 71-80.[2_16] Jaronec M., Kruk M., Olivier J. P., Koch S. A new method for the accurate size analysis of MCM-41 and other silica-based mesoporous materials // Stud. Surf Sci. Catal. 2000. V. 128. P. 71-80.

Claims (2)

1. Способ получения биосовместимых нанопористых сферических частиц оксида кремния с контролируемым внешним диаметром, включающий синтез в реакционной смеси тетраэтоксисилана (ТЭОС) с NH3, водой (H2O), спиртом (С2Н5ОН) и цетилтриметиламмоний бромидом (C16H33N(СН3)3Br - ЦТАБ) в мольном соотношении ТЭОС:NH3:H2O: С2Н5ОН:ЦТАБ, равном 1:19:370:230:0,2, при интенсивном перемешивании со скоростью 125-250 мин-1 при температуре 5-80°C в течение 2-3 ч с образованием в процессе гидролиза ТЭОС в спирто-водно-аммиачной среде мономеров ортокремниевой кислоты Si(OH)4, конденсацию мономеров с формированием первичных частиц размером 3-5 нм, их коагуляцию, после чего полученные частицы отжигают на воздухе при температуре 550°C в течение 15 часов для удаления органических веществ.1. A method of producing biocompatible nanoporous spherical particles of silicon oxide with a controlled outer diameter, including synthesis in a reaction mixture of tetraethoxysilane (TEOS) with NH 3 , water (H 2 O), alcohol (C 2 H 5 OH) and cetyltrimethylammonium bromide (C 16 H 33 N (CH 3 ) 3 Br - CTAB) in a molar ratio of TEOS: NH 3 : H 2 O: C 2 H 5 OH: CTAB equal to 1: 19: 370: 230: 0.2, with vigorous stirring at a speed of 125 -250 min -1 at a temperature of 5-80 ° C for 2-3 hours to form during hydrolysis of TEOS in an alcoholic-aqueous-ammoniacal medium orthosilicic acid monomers, Si (OH) 4, capacitor ation of the monomers to form a primary particle size 3-5 nm, their coagulation, after which the obtained particles were calcined in air at 550 ° C for 15 hours to remove the organic substances. 2. Способ получения биосовместимых нанопористых сферических частиц оксида кремния с контролируемым внешним диаметром, включающий получение нанопористых частиц оксида кремния с использованием цетилтриметиламмоний бромида C16H33N(СН3)3Br (ЦТАБ) концентрацией до 0,007 мол·л-1 в качестве структурообразующего вещества, причем синтез проводится посредством гидролиза тетраэтоксисилана (Si(OC2H5)4 - ТЭОС) в ЦТАБ-этанол-водно-аммиачной среде при температуре 5-80°C в течение 2-3 ч при мольном соотношении ТЭОС:NH3:H2O:С2Н5ОН:ЦТАБ, равном 1:19:370:230:0,2, за счет чего в реакционной смеси формируются цилиндрические мицеллы, покрытые слоем SiO2, которые организуются в блоки, а затем для удаления органических веществ полученные материалы отжигают при 550°C для получения внутри сферических частиц нанопор. 2. A method of producing biocompatible nanoporous spherical particles of silicon oxide with a controlled outer diameter, including the production of nanoporous particles of silicon oxide using cetyltrimethylammonium bromide C 16 H 33 N (CH 3 ) 3 Br (CTAB) with a concentration of up to 0.007 mol · l -1 as a structure-forming substances, and the synthesis is carried out by hydrolysis of tetraethoxysilane (Si (OC 2 H 5 ) 4 - TEOS) in CTAB-ethanol-water-ammonia medium at a temperature of 5-80 ° C for 2-3 hours at a molar ratio of TEOS: NH 3 : H 2 O: C 2 H 5 OH: CTAB equal to 1: 19: 370: 230: 0.2, due to why cylindrical micelles coated with a layer of SiO 2 are formed in the reaction mixture, which are organized into blocks, and then, to remove organic substances, the obtained materials are annealed at 550 ° C to obtain nanopores inside spherical particles.
RU2014127933/05A 2014-07-09 2014-07-09 Method of producing biocompatible nanoporous spherical particles of silicon oxide with controlled external diameter (versions) RU2558582C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014127933/05A RU2558582C1 (en) 2014-07-09 2014-07-09 Method of producing biocompatible nanoporous spherical particles of silicon oxide with controlled external diameter (versions)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014127933/05A RU2558582C1 (en) 2014-07-09 2014-07-09 Method of producing biocompatible nanoporous spherical particles of silicon oxide with controlled external diameter (versions)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2558582C1 true RU2558582C1 (en) 2015-08-10

Family

ID=53795941

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2014127933/05A RU2558582C1 (en) 2014-07-09 2014-07-09 Method of producing biocompatible nanoporous spherical particles of silicon oxide with controlled external diameter (versions)

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2558582C1 (en)

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107416849A (en) * 2017-09-06 2017-12-01 青岛科技大学 A kind of method for preparing monodisperse nano silicon dioxide particle
CN109607552A (en) * 2019-01-15 2019-04-12 河北工业大学 A method of preparing three-dimensional ball chain structure silica
RU2717521C1 (en) * 2019-05-13 2020-03-23 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ордена Трудового Красного Знамени Институт химии силикатов им. И.В. Гребенщикова Российской академии наук (ИХС РАН) Method of producing porous nanocomposite silicon granules
CN112919481A (en) * 2021-01-29 2021-06-08 吉林大学 Preparation method of electropositive silicon dioxide particles
CN113772681A (en) * 2021-09-24 2021-12-10 吉林大学 Regulation and control method of mercapto-silicon dioxide particle microstructure
US11471849B2 (en) 2017-09-11 2022-10-18 President And Fellows Of Harvard College Porous metal oxide microspheres with varying pore sizes
RU2784855C2 (en) * 2017-09-11 2022-11-30 Президент Энд Феллоус Оф Харвард Колледж Porous microspheres of metal oxide
US11517871B2 (en) 2017-09-11 2022-12-06 President And Fellows Of Harvard College Porous metal oxide microspheres

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2006106493A1 (en) * 2005-04-05 2006-10-12 University College Cork - National University Of Ireland, Cork Mesoporous particles
RU2476377C2 (en) * 2008-04-28 2013-02-27 Формак Фармасьютикалс Н.В. Ordered mesoporous silicon oxide material

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2006106493A1 (en) * 2005-04-05 2006-10-12 University College Cork - National University Of Ireland, Cork Mesoporous particles
RU2476377C2 (en) * 2008-04-28 2013-02-27 Формак Фармасьютикалс Н.В. Ordered mesoporous silicon oxide material

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
REMYA NAIR et al, Size tuning and oxygen plasma induced pore formation on silica nanoparticles, "Progress in Natural Science: Materials International", 2012, 22(3), 193-200. *

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107416849A (en) * 2017-09-06 2017-12-01 青岛科技大学 A kind of method for preparing monodisperse nano silicon dioxide particle
US11471849B2 (en) 2017-09-11 2022-10-18 President And Fellows Of Harvard College Porous metal oxide microspheres with varying pore sizes
RU2784855C2 (en) * 2017-09-11 2022-11-30 Президент Энд Феллоус Оф Харвард Колледж Porous microspheres of metal oxide
US11517871B2 (en) 2017-09-11 2022-12-06 President And Fellows Of Harvard College Porous metal oxide microspheres
CN109607552A (en) * 2019-01-15 2019-04-12 河北工业大学 A method of preparing three-dimensional ball chain structure silica
CN109607552B (en) * 2019-01-15 2021-10-22 河北工业大学 Method for preparing silicon dioxide with three-dimensional ball chain structure
RU2717521C1 (en) * 2019-05-13 2020-03-23 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ордена Трудового Красного Знамени Институт химии силикатов им. И.В. Гребенщикова Российской академии наук (ИХС РАН) Method of producing porous nanocomposite silicon granules
CN112919481A (en) * 2021-01-29 2021-06-08 吉林大学 Preparation method of electropositive silicon dioxide particles
CN113772681A (en) * 2021-09-24 2021-12-10 吉林大学 Regulation and control method of mercapto-silicon dioxide particle microstructure

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2558582C1 (en) Method of producing biocompatible nanoporous spherical particles of silicon oxide with controlled external diameter (versions)
Trofimova et al. Monodisperse spherical mesoporous silica particles: Fast synthesis procedure and fabrication of photonic-crystal films
Wang et al. Creation of interior space, architecture of shell structure, and encapsulation of functional materials for mesoporous SiO2 spheres
US10576462B2 (en) Mesoporous materials and processes for preparation thereof
Essien et al. Sol-gel-derived porous silica: Economic synthesis and characterization.
Van Bruggen Preparation and properties of colloidal core− shell rods with adjustable aspect ratios
JP4478766B2 (en) Spherical silica porous particles and method for producing the same
Izutsu et al. Preparation and characterization of porous silica spheres by thesol–gel method in the presence of tartaric acid
US6638885B1 (en) Lyotropic liquid crystalline L3 phase silicated nanoporous monolithic composites and their production
Fuji et al. Development of new templating approach for hollow nanoparticles and their applications
Lazareva et al. Synthesis of high-purity silica nanoparticles by sol-gel method
WO2006052917A2 (en) Silica mesoporous materials
Shiba et al. Mesoporous silica spherical particles
Eiblmeier et al. Bottom-up self-assembly of amorphous core–shell–shell nanoparticles and biomimetic crystal forms in inorganic silica–carbonate systems
Wang et al. Hierarchically helical mesostructured silica nanofibers templated by achiral cationic surfactant
JPWO2013073475A1 (en) Nano hollow particles and method for producing the same
Yin et al. Preparation and size control of highly monodisperse vinyl functionalized silica spheres
JP5603566B2 (en) Spherical mesoporous carbon and method for producing the same
Wang et al. Application of tailored silica microspheres in coatings: synthesis, characterization, thermal and hydrophobic properties
Fukamachi et al. Synthesis of silica nanotube using myelin figure as template and their formation mechanism
Wiercigroch-Walkosz et al. Growth of silica shell on hydrophobic upconverting nanocrystals–mechanism and control of porosity
Blin et al. Nanostuctured mesoporous materials from different silica sources using fluorinated surfactants as templates
Zhang et al. Effects of precipitation and drying processes on the synthesis of silica materials with a large-pore-volume and narrow-pore-diameter distribution
Ha et al. General synthesis and physico-chemical properties of mesoporous materials
Vrieling et al. Silicon biomineralisation: towards mimicking biogenic silica formation in diatoms

Legal Events

Date Code Title Description
HE4A Change of address of a patent owner
QB4A Licence on use of patent

Free format text: PLEDGE

Effective date: 20171031

QZ41 Official registration of changes to a registered agreement (patent)

Free format text: PLEDGE FORMERLY AGREED ON 20171031

Effective date: 20180604

QZ41 Official registration of changes to a registered agreement (patent)

Free format text: PLEDGE FORMERLY AGREED ON 20171031

Effective date: 20190514