一種棒狀二氧化硅納米材料的制備方法與流程

本發明屬于納米材料制備技術，特別涉及一種棒狀二氧化硅納米材料的制備方法。

背景技術：

自從1991年發現碳納米管以來，一維結構的納米線、納米管和納米棒等納米材料因其獨特的電、光、磁、熱和機械性質引起了人們的廣泛重視。其中，一維二氧化硅納米材料由于生物相容性好、表面易功能化等優點被廣泛應用于傳感器、細胞成像、藥物運輸、生物分離和催化等領域。截至目前，一維二氧化硅納米材料的發展依舊緩慢，想要大批量制備出形貌、尺寸和化學組成精確可控的一維二氧化硅納米材料還存在一定的技術壁壘。因此，開發一維二氧化硅納米材料的制備具有實際應用意義。

過去的十幾年中，科研人員開發了一系列一維二氧化硅納米材料的制備方法，主要包括模板法、化學氣相沉積法、機械拉伸法和電化學腐蝕法等。其中，模板法是制備一維二氧化硅納米材料普遍使用的方法，這種方法利用無機物（如氧化鋁和硫化銅）和有機物（如十二烷基三乙基溴化銨和十六烷基三甲基溴化銨）等材料作為結構導向劑，通過硅酸乙酯的水解和縮合作用制備一維二氧化硅納米材料。該方法可以通過控制反應過程中的pH、反應溫度和模板種類等條件，從而調節一維二氧化硅納米材料的長度和直徑。然而，去除模板需要煅燒或溶劑萃取等繁瑣工藝，模板除去后產物原有形貌也容易發生改變，不利于大批量工業化生產。其它的化學氣相沉積法、機械拉伸法和電化學腐蝕法等制備方法過程相對繁瑣，產率低，制備儀器較為昂貴，不利于一維二氧化硅納米材料的大批量工業化生產。

技術實現要素：

本發明的目的是為解決化學氣相沉積法過程相對繁瑣，而提供一種簡單、可操作強、重復性好、長徑比可精確調控、適于工業化生產的棒狀二氧化硅納米材料的制備方法。

棒狀二氧化硅納米材料的制備方法，它包括：

1）將檸檬酸鈉水溶液、氨水、水、絕對乙醇和聚乙烯吡咯烷酮戊醇溶液按照1:1:2.8:1:100 ~ 3:4:6:20:100的體積比混合均勻；所述的檸檬酸鈉水溶液的濃度為 0.17-0.19 M，氨水的質量濃度為28% ~ 30%，聚乙烯吡咯烷酮戊醇溶液的濃度為50.00 mg/mL ~500.00 mg/mL；

2）按照硅酸乙酯與上述聚乙烯吡咯烷酮戊醇溶液中的戊醇為1:200 ~ 6:200的體積比，加入硅酸乙酯，混合均勻，靜止放置反應；

3）離心洗滌后，得到棒狀二氧化硅納米材料；

所述的靜止反應溫度4 ℃ ~ 135 ℃；

所述的靜止反應時間為20分鐘 ~ 17小時；

所述的體積比為1:2:3:10:100；

所述的體積比中氨水和聚乙烯吡咯烷酮戊醇溶液的比例為1:100或1:25；

所述的聚乙烯吡咯烷酮戊醇溶液濃度為50.00 或500.00mg/mL；

所述的按照硅酸乙酯與上述聚乙烯吡咯烷酮戊醇溶液中的戊醇為1:200或 6:200的體積比，加入硅酸乙酯；

所述的體積比中乙醇與聚乙烯吡咯烷酮戊醇溶液的比例為1:100或1:5。

本發明提供了棒狀二氧化硅納米材料的制備方法，1）將檸檬酸鈉水溶液、氨水、水、絕對乙醇和聚乙烯吡咯烷酮戊醇溶液按照1:1:2.8:1:100 ~ 3:4:6:20:100的體積比混合均勻；所述的檸檬酸鈉水溶液的濃度為 0.18 M，氨水的質量濃度為28% ~ 30%，聚乙烯吡咯烷酮戊醇溶液的濃度為50.00 mg/mL ~500.00 mg/mL；2）按照硅酸乙酯與上述聚乙烯吡咯烷酮戊醇溶液中的戊醇為1:200或 6:200的體積比，加入硅酸乙酯，混合均勻，靜止放置反應；3）離心洗滌后，得到棒狀二氧化硅納米材料。

本發明采用聚乙烯吡咯烷酮、戊醇、水體系制備反相微乳液，以硅酸乙酯為作為硅源，在氨水催化條件下制備棒狀二氧化硅納米材料。通過調節硅酸乙酯、氨水、水、絕對乙醇和聚乙烯吡咯烷酮的含量、反應溫度和反應時間等反應參數，實現對棒狀二氧化硅納米材料長徑比的調控。本發明方法簡單、高效，適用于工業化大批量生產棒狀二氧化硅納米材料。

本發明具有以下優點：

1、制備方法簡單、高效，能滿足工業化大批量生產需求；

2、通過調控反應中硅酸乙酯、氨水、水、絕對乙醇、檸檬酸鈉和聚乙烯吡咯烷酮的濃度、反應溫度和時間等反應參數，即可實現對棒狀二氧化硅納米材料長徑比的精確調控。

附圖說明

圖1為利用實例1的方法制備的棒狀二氧化硅納米材料的掃描電鏡照片；

圖2 棒狀二氧化硅納米材料的長徑比與硅酸乙酯含量的關系；

圖3 棒狀二氧化硅納米材料的長徑比與氨水含量的關系；

圖4 棒狀二氧化硅納米材料的長徑比與水含量的關系；

圖5 棒狀二氧化硅納米材料的長徑比與絕對乙醇含量的關系；

圖6 棒狀二氧化硅納米材料的長徑比與聚乙烯吡咯烷酮含量的關系；

圖7 棒狀二氧化硅納米材料的長徑比與反應溫度的關系；

圖8 棒狀二氧化硅納米材料的長徑比與反應溫度時間的關系。

具體實施方式

實施例1：

配置濃度為0.18 M的檸檬酸鈉水溶液和100.00 mg/mL的聚乙烯吡咯烷酮戊醇溶液；將檸檬酸鈉水溶液、氨水、水、絕對乙醇和聚乙烯吡咯烷酮戊醇溶液按照1:2:3:10:100的體積比混合均勻；按照硅酸乙酯與上述聚乙烯吡咯烷酮戊醇溶液中的戊醇為1:100的體積比，加入硅酸乙酯，60 ℃下靜止放置4小時。離心洗滌三次后，得到長徑比約為9.6的棒狀二氧化硅納米材料。

實施例2：

將實例1中氨水與聚乙烯吡咯烷酮戊醇溶液的比例換為1:100，其余反應過程和反應條件不變，可獲得長徑比約為11.6的棒狀二氧化硅納米材料。

實施例3：

將實例1中氨水與聚乙烯吡咯烷酮戊醇溶液的比例換為1:25，其余反應過程和反應條件不變，可獲得長徑比約為2.3的棒狀二氧化硅納米材料。

實施例4：

將實例1中的聚乙烯吡咯烷酮戊醇溶液換為50.00 mg/mL，其余反應過程和反應條件不變，可獲得長徑比約為18.3的棒狀二氧化硅納米材料。

實施例5：

將實例1中的聚乙烯吡咯烷酮戊醇溶液換為500.00 mg/mL，其余反應過程和反應條件不變，可獲得長徑比約為3.3的棒狀二氧化硅納米材料。

實施例6：

將實例1中的硅酸乙酯與硅酸乙酯與聚乙烯吡咯烷酮戊醇溶液中的戊醇體積比換為1:200，其余反應過程和反應條件不變，可獲得長徑比約為4.5的棒狀二氧化硅納米材料。

實施例7：

將實例1中的硅酸乙酯與硅酸乙酯與聚乙烯吡咯烷酮戊醇溶液中的戊醇體積比換為3:100，其余反應過程和反應條件不變，可獲得長徑比約為16.0的棒狀二氧化硅納米材料。

實施例8：

將實例1中乙醇與聚乙烯吡咯烷酮戊醇溶液的比例換為1:100，其余反應過程和反應條件不變，可獲得長徑比約為4.9的棒狀二氧化硅納米材料。

實施例9：

將實例1中乙醇與聚乙烯吡咯烷酮戊醇溶液的比例換為1:5，其余反應過程和反應條件不變，可獲得長徑比約為11.9的棒狀二氧化硅納米材料。

實施例10：

將實例1中水與聚乙烯吡咯烷酮戊醇溶液的比例換為7:250，其余反應過程和反應條件不變，可獲得長徑比約為15.8的棒狀二氧化硅納米材料。

實施例11：

將實例1中的水與聚乙烯吡咯烷酮戊醇溶液的比例換為3:50，其余反應過程和反應條件不變，可獲得長徑比約為1.3的棒狀二氧化硅納米材料。

實施例12：

將實例1中的反應時間換為20分鐘，其余反應過程和反應條件不變，可獲得長徑比約為1.1的棒狀二氧化硅納米材料。

實施例13：

將實例1中的反應時間換為17小時，其余反應過程和反應條件不變，可獲得長徑比約為17.6的棒狀二氧化硅納米材料。

實施例14：

將實例1中的反應溫度換為4 ℃，反應時間換為17小時，其余反應過程和反應條件不變，可獲得長徑比約為6.5的棒狀二氧化硅納米材料。

實施例15：

將實例1中的反應溫度換為135 ℃，反應時間換為20分鐘，其余反應過程和反應條件不變，可獲得長徑比約為25.6的棒狀二氧化硅納米材料。