[发明专利]一种纳米尺度介孔二氧化硅球的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于无机多孔材料制备领域，涉及一系列纳米尺寸的介孔二氧化硅球的制备。尤其涉及一种纳米尺度介孔二氧化硅球的粒径调控及制备方法。

技术背景

1992年，美国Mobil公司报道了以表面活性剂为模板剂在碱性条件下合成M41S系列介孔二氧化硅的方法。该类材料具有规则有序的周期性孔道、高度均一的孔径、极高的比表面积、良好的热稳定性，使其在催化、吸附和分离、半导体和光电子器件及传感器等领域具有很高的理论研究和实际应用价值。但是传统的介孔氧化硅的颗粒尺寸一般在微米至厘米间，且形貌不均一，而这些性质在很大程度影响了介孔材料在某些领域的应用。

在材料化学中，有效控制材料的尺寸一直是人们追求的目标。纳米尺度材料具有特殊的表面和界面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等。介孔材料颗粒达到纳米尺寸时同样会有一些特殊的效果产生，例如，Kaifeng Lin(Journal of Catalysis，2008，254，64-70)等研究表明纳米尺寸的Ti-MCM-41在环己烯的环氧化催化反应中表现出比普通的Ti-MCM-41更好的催化性能。此外，纳米尺寸介孔材料在生物大分子分离、色谱柱填充材料、药物缓释剂、微型半导体材料等方面有着广泛的应用。

根据相关专利与文献报道，目前已经有很多种合成介孔二氧化硅球的方法，其中大部分方法合成出的介孔二氧化硅球的尺寸在微米至厘米间，例如，中国专利CN1254436C报道了一种球状窄粒径分布的介孔分子筛的制备方法，该介孔球的平均粒径为2μm，粒径分布在1～4μm之间。国内外也有过成功合成出纳米尺寸介孔二氧化硅球的先例，例如，Stephen Mann(Adv.Mater.2001，13，649～652)等在室温下用十六烷基三甲基溴化铵作模板剂，正硅酸乙酯作硅源，合成出了粒径分布为15～100nm的介孔二氧化硅。但是，其粒径大小不可调、合成过程复杂(合成过程中需要多次改变容易的pH值)、合成所需时间长(6个月)。而能够把介孔二氧化硅球的直径在纳米尺度范围内可调控，且其粒径分布窄的方法尚未见报道。

发明内容

本发明的目的在于提出一种纳米尺度介孔二氧化硅球的制备方法。开辟了一种控制介孔二氧化硅球粒径的新途径。

本发明的技术方案：是以季铵盐阳离子表面活性剂为模板剂，在碱性溶液中，通过溶胶-凝胶法合成，并通过改变合成条件，调控其纳米尺寸的大小，从而达到介孔二氧化硅球的直径在纳米尺度范围内的调变。本发明还通过改变阳离子表面活性剂的碳链长度，来改变纳米尺寸介孔二氧化硅球的孔径，从而达到孔径在1.9～4nm间的调控。

本发明的具体技术方案为：一种纳米尺度介孔二氧化硅球的制备方法，其具体步骤为：

将季铵盐阳离子表面活性剂作为模板剂加入到碱溶液中，使表面活性剂完全溶解，升温至30～90℃，加入硅源；保持温度并搅拌，待生成白色絮状沉淀后，继续搅拌1～48小时；然后过滤，洗涤，常温下干燥，脱除模板剂得到产品；其中模板剂：H₂O∶SiO₂∶碱的摩尔比为0.02～0.12∶420～1360∶1∶0.1～0.5。

所述的季铵盐阳离子表面活性剂的结构式为C_nH_2n+1N(CH₃)₃X，其中n＝8～22，X＝Cl或Br。优选所述碱为氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钡或氨水；所述的硅源为正硅酸甲酯、正硅酸乙酯、正硅酸丙酯、正硅酸钠或硅溶胶。

优选合成过程反应温度为50～85℃。优选合成过程反应时间为1～10小时。

有益效果：

本发明合成出了一系列纳米尺寸的介孔二氧化硅球。其粒径分布窄，且粒径在40nm～400nm间可调；孔道规整，且孔径在1.9～4nm间可调。颗粒之间分散均匀，是很好的纳米尺寸介孔二氧化硅材料，在工业催化，生物大分子的分离，色谱柱的填充材料，药物缓释剂，微型半导体材料等方面有着广泛的应用。

附图说明

图1-a是实施例1所得产品的X射线衍射图(XRD)。

图1-b是实施例1所得产品的场发射电镜图(FE-SEM)。

图1-c是实施例1所得产品的高倍透射电镜图(HRTEM)。

图1-d是实施例1所得产品的粒径分布图。

图2是实施例5所得产品的FE-SEM图。

图3是实施例6所得产品的FE-SEM图。

图4-a是实施例12所得产品的FE-SEM图。

图4-b是实施例12所得产品的HRTEM图。

具体实施方式