一種仿生二氧化硅納米管的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于納米材料制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種二氧化硅納米管的仿生制備方法。該方法是由硅源在細(xì)菌纖維素凝膠介質(zhì)中聚集組裝，形成有機(jī)無(wú)機(jī)雜化材料，以此材料為基礎(chǔ)制備二氧化硅納米管。
【背景技術(shù)】
[0002]納米材料是指在三維空間中，至少有一維處于納米尺度范圍，或是由這些納米尺度的基本結(jié)構(gòu)單元組成的材料。因?yàn)椴牧系幕窘M成單元處于納米級(jí)別，因此，同普通的體材料相比，納米材料表現(xiàn)出較為特殊的物理化學(xué)性質(zhì)，在電子學(xué)、光催化、催化、激光、電催化電致發(fā)光、光致發(fā)光、磁性記錄、光電轉(zhuǎn)換、超導(dǎo)、分子識(shí)別與傳感、電池復(fù)合材料等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
[0003]制備納米材料的方法主要可分為物理方法和化學(xué)方法。物理方法采用光、電技術(shù)使材料在真空或惰性氣氛環(huán)境下蒸發(fā)，然后使原子或分子結(jié)合形成納米顆粒，但此法通常需要很高要求的制備條件，且所用儀器貴重并消耗大量能源，因此并不是好的選擇?；瘜W(xué)方法大體可分為氣相法、液相法和固相法等三大類(lèi)，每一類(lèi)方法都有許多不同的制備手段。
[0004]20世紀(jì)80年代，美國(guó)科羅拉多州立大學(xué)化學(xué)系Martin教授領(lǐng)導(dǎo)的研究組最先采用模板法合成了納米結(jié)構(gòu)材料。自此，模板法合成納米材料引起了人們的廣泛興趣，并得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。所謂模板法，就是采用物理或化學(xué)方法，將納米結(jié)構(gòu)材料的前軀體沉積到模板(Template)的孔中或是表面，然后移去模板，得到具有模板形貌結(jié)構(gòu)和規(guī)范尺寸的納米材料的過(guò)程。模板法同溶膠-凝膠法、氣相化學(xué)法、水熱合成法等相比具有諸多優(yōu)點(diǎn)，主要表現(xiàn)在:(1)多數(shù)模板不僅可以方便地合成，而且其性質(zhì)結(jié)構(gòu)可在一定范圍內(nèi)精確調(diào)控；
(2)模板的合成方法相對(duì)簡(jiǎn)單，并且可以批量生產(chǎn)；(3)模板法合成可以在解決納米材料的尺寸與形狀控制的同時(shí)，解決納米材料分散穩(wěn)定性的問(wèn)題；(4)模板法尤其適合于一維納米材料，如納米管(nanotubes,NT)、納米線(xiàn)(nanowires,NW)以及納米帶(nanobelts)的合成。因此，模板法合成納米材料是公認(rèn)的合成納米材料及納米陣列(nanoarrays)的最理想方法。
[0005]仿生(B1mimetics)通常指模仿或利用生物體結(jié)構(gòu)、生化功能和生化過(guò)程的技術(shù)。把這種技術(shù)運(yùn)用到材料設(shè)計(jì)制造中，以便獲得接近或超過(guò)生物材料優(yōu)異性能的新材料，或用天然生物合成的方法獲得所需材料，如制備具有蜘蛛牽引絲強(qiáng)度的纖維、具有海洋貝類(lèi)韌性的陶瓷或貝類(lèi)結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料等。模仿生物礦化中無(wú)機(jī)物在有機(jī)物調(diào)制下形成過(guò)程的無(wú)機(jī)材料合成，稱(chēng)為仿生合成(B1mimetic synthesis),也稱(chēng)為有機(jī)模板法(Organictemplate approach)或模板合成(Template synthesis)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明提出了一種制備無(wú)機(jī)納米管的仿生制備方法。主要涉及二氧化硅納米管的制備方法。
[0007]本發(fā)明的二氧化硅納米管的制備方法按以下步驟進(jìn)行:
[0008](I)將細(xì)菌纖維素置于無(wú)水乙醇中24h，將水凝膠置換成乙醇凝膠；
[0009](2)將細(xì)菌纖維素取出，置于去離子水與無(wú)水乙醇的混合溶液中，去離子水含量為
0-40% ；
[0010](3)在上述溶液中繼續(xù)加入硅源，硅源的質(zhì)量濃度為整個(gè)溶液體系的0.5-10%，室溫靜置12-48h，硅源包括正硅酸甲酯、正硅酸乙酯、正硅酸丙酯及正硅酸丁酯；
[0011](4)將吸附硅源的細(xì)菌纖維素凝膠取出，進(jìn)行冷凍干燥，干燥溫度為-50°C，干燥時(shí)間為24-48h ；
[0012](5)將干燥后的有機(jī)無(wú)機(jī)雜化材料放入馬弗爐中600°C燒3個(gè)小時(shí)，得到二氧化硅納米管。
[0013](6)將步驟3所得細(xì)菌纖維素凝膠取出，置于濃度為0.1-5%的催化劑溶液中12-48h，在重復(fù)步驟4和5，同樣得到二氧化硅納米管。所用催化劑可以為氫氧化鈉、氫氧化鉀、氨水、乙醇胺等堿性分子；鹽酸、硝酸、磷酸、醋酸、草酸等酸性分子以及二者結(jié)合成的各類(lèi)鹽。
[0014]本發(fā)明利用仿生礦化方法制備出的納米二氧化硅管，操作簡(jiǎn)單，反應(yīng)條件溫和，綠色無(wú)污染，得到的納米二氧化硅管結(jié)構(gòu)均勻，可制備具有一定穩(wěn)定外形的納米管材料。
【附圖說(shuō)明】
[0015]圖1是本發(fā)明實(shí)施實(shí)例2所得二氧化硅納米管掃描電子顯微鏡照片
[0016]圖2是本發(fā)明實(shí)施實(shí)例2所得二氧化硅納米管透射電子顯微鏡照片
[0017]圖3是本發(fā)明實(shí)施實(shí)例2所得二氧化硅納米管的照片
【具體實(shí)施方式】
[0018]【具體實(shí)施方式】一:本實(shí)施方式制備納米二氧化硅管按以下步驟進(jìn)行:
[0019](I)將細(xì)菌纖維素置于無(wú)水乙醇中24h，將水凝膠置換成乙醇凝膠；
[0020](2)將細(xì)菌纖維素取出，置于去離子水與無(wú)水乙醇的混合溶液中，去離子水含量為20% ；
[0021](3)在上述溶液中繼續(xù)加入正硅酸乙酯，硅源的質(zhì)量濃度為整個(gè)溶液體系的5%，室溫靜置24h ；
[0022](4)將吸附硅源的細(xì)菌纖維素凝膠取出，進(jìn)行冷凍干燥，干燥溫度為-50°C，干燥時(shí)間為24h ；
[0023](5)將干燥后的有機(jī)無(wú)機(jī)雜化材料放入馬弗爐中600°C燒3個(gè)小時(shí)，得到二氧化硅納米管。
[0024]【具體實(shí)施方式】二:本實(shí)施方式制備納米二氧化硅管按以下步驟進(jìn)行:
[0025](I)將細(xì)菌纖維素置于無(wú)水乙醇中24h，將水凝膠置換成乙醇凝膠；
[0026](2)將細(xì)菌纖維素取出，置于去離子水與無(wú)水乙醇的混合溶液中，去離子水含量為20% ；
[0027](3)在上述溶液中繼續(xù)加入正硅酸乙酯，硅源的質(zhì)量濃度為整個(gè)溶液體系的5%，室溫靜置24h ；
[0028](4)將步驟3所得細(xì)菌纖維素凝膠取出，置于濃度為0.2%的Na2HPO4溶液中12h ；
[0029](5)將步驟4所得的細(xì)菌纖維素凝膠取出，進(jìn)行冷凍干燥，干燥溫度為_(kāi)50°C，干燥時(shí)間為24h ；
[0030](6)將干燥后的有機(jī)無(wú)機(jī)雜化材料放入馬弗爐中600°C燒3個(gè)小時(shí)，得到二氧化硅納米管。
[0031]圖1給出了本實(shí)施例制備的二氧化硅納米管的掃描電子顯微鏡(SEM)照片，從中可以看出由本發(fā)明制備二氧化硅納米管形貌均一，外形規(guī)整；圖2給出了本實(shí)例制備的二氧化硅納米管的透射電子顯微鏡(TEM)照片，從中可以清晰的看出納米管的微觀結(jié)構(gòu)；圖3為為本發(fā)明制備的二氧化硅納米管照片，可以看出由本發(fā)明制備二氧化硅納米管具有較為穩(wěn)定的宏觀形貌，具有一定的強(qiáng)度，這是其它制備手段所不具備的。
[0032]【具體實(shí)施方式】三:本實(shí)施方式制備納米二氧化硅管按以下步驟進(jìn)行:
[0033](I)將細(xì)菌纖維素置于無(wú)水乙醇中24h，將水凝膠置換成乙醇凝膠；
[0034](2)將細(xì)菌纖維素取出，置于去離子水與無(wú)水乙醇的混合溶液中，去離子水含量為20% ；
[0035](3)在上述溶液中繼續(xù)加入正硅酸乙酯，硅源的質(zhì)量濃度為整個(gè)溶液體系的5%，室溫靜置36h ；
[0036](4)將步驟3所得細(xì)菌纖維素凝膠取出，置于濃度為0.3%的CH3C00H溶液中12h ；
[0037](5)將步驟4所得的細(xì)菌纖維素凝膠取出，進(jìn)行冷凍干燥，干燥溫度為_(kāi)50°C，干燥時(shí)間為24h ；
[0038](6)將干燥后的有機(jī)無(wú)機(jī)雜化材料放入馬弗爐中600°C燒3個(gè)小時(shí)，得到二氧化硅納米管。
[0039]【具體實(shí)施方式】四:本實(shí)施方式制備納米二氧化硅管按以下步驟進(jìn)行:
[0040](I)將細(xì)菌纖維素置于無(wú)水乙醇中24h，將水凝膠置換成乙醇凝膠；
[0041](2)將細(xì)菌纖維素取出，置于去離子水與無(wú)水乙醇的混合溶液中，去離子水含量為20% ；
[0042](3)在上述溶液中繼續(xù)加入正硅酸甲酯，硅源的質(zhì)量濃度為整個(gè)溶液體系的5%，室溫靜置12h ；
[0043](4)將步驟3所得細(xì)菌纖維素凝膠取出，置于濃度為0.3%的NH3 -H2O溶液中12h ；
[0044](5)將步驟4所得的細(xì)菌纖維素凝膠取出，進(jìn)行冷凍干燥，干燥溫度為_(kāi)50°C，干燥時(shí)間為18h ；
[0045](6)將干燥后的有機(jī)無(wú)機(jī)雜化材料放入馬弗爐中600°C燒3個(gè)小時(shí)，得到二氧化硅納米管。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種二氧化硅納米管的制備方法，其特征在于，包括如下步驟: (1)將細(xì)菌纖維素置于無(wú)水乙醇中24h，將水凝膠置換成乙醇凝膠； (2)將細(xì)菌纖維素取出，置于去離子水與無(wú)水乙醇的混合溶液中，去離子水含量為0-40% ； (3)在上述溶液中繼續(xù)加入硅源，硅源的質(zhì)量濃度為整個(gè)溶液體系的0.5-10%，室溫靜置 12-48h ； (4)將吸附硅源的細(xì)菌纖維素凝膠取出，進(jìn)行冷凍干燥； (5)將干燥后的有機(jī)無(wú)機(jī)雜化材料放入馬弗爐中600°C燒3個(gè)小時(shí)，得到二氧化硅納米管。 (6)將步驟3所得細(xì)菌纖維素凝膠取出，置于濃度為0.1-5%的催化劑溶液中12-48h，在重復(fù)步驟4和5，同樣得到二氧化硅納米管。2.按照權(quán)利要求1所述的二氧化硅納米管的制備方法，其特征在于，所述硅源為正硅酸甲酯、正硅酸乙酯、正硅酸丙酯及正硅酸丁酯。3.按照權(quán)利要求1所述的二氧化硅納米管的制備方法，其特征在于，所述步驟4中干燥溫度為_(kāi)50°C，干燥時(shí)間為24-48h。4.按照權(quán)利要求1所述的二氧化硅納米管的制備方法，其特征在于，所述步驟6中所用催化劑可以為氫氧化鈉、氫氧化鉀、氨水、乙醇胺等堿性分子；鹽酸、硝酸、磷酸、醋酸、草酸等酸性分子以及二者結(jié)合成的各類(lèi)鹽。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種以細(xì)菌纖維素作為有機(jī)模板進(jìn)行二氧化硅納米管仿生制備的方法。所述制備方法主要包括模板與硅源的結(jié)合，反應(yīng)條件的調(diào)制，復(fù)合材料的制備，納米管的獲得等步驟。本發(fā)明主要是通過(guò)仿生礦化的方法制備出納米二氧化硅管，操作簡(jiǎn)單，反應(yīng)條件溫和，是一種綠色的制備方法，得到的納米管具有較大的長(zhǎng)徑比，結(jié)構(gòu)規(guī)整。與傳統(tǒng)的納米管產(chǎn)物相比，本發(fā)明所得的二氧化硅納米管還可以具有較為穩(wěn)定的宏觀外形。
【IPC分類(lèi)】B82Y40/00, C01B33/12, B82Y30/00
【公開(kāi)號(hào)】CN105084371
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201410208327
【發(fā)明人】曾威, 蔡志星, 梁安生, 熊健, 韓丹丹
【申請(qǐng)人】天津科技大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年11月25日
【申請(qǐng)日】2014年5月12日