[发明专利]二氧化硅不对称修饰磁性胶体颗粒的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用二氧化硅棒不对称修饰磁性胶体颗粒的方法。

背景技术

近年来，微纳米尺寸的胶体颗粒的组装结构广泛应用于光子晶体、电传感器以及太阳能电池等领域，然而相比于分子层面的组装，微纳米尺寸的组装依然有许多问题亟待解决，其中尤为重要的是组装单元的多样性与复杂性问题。胶体颗粒的不对称修饰为得到多样化的组装单元提供了可能。其中，利用二氧化硅的水解修饰的方法因原料便宜、反应条件温和、尺寸易调控而得到了科学家的青睐。1968年，美国科学家Werner等人研究了碱性条件下利用原硅酸四乙酯(TEOS)在醇/水溶液体系中缓慢水解、聚合、沉淀从而得到尺寸均一的二氧化硅微球的过程，这也就是“方法”。方法常被用来对磁性颗粒、金纳米颗粒、量子点、石墨烯等进行表面二氧化硅包覆，以增强被包覆物质的稳定性，或结合二氧化硅表面功能化、介孔等性质与被包覆物质共同构成具有复合功能的新材料。此外，二氧化硅包覆还可以一定程度地调节被包覆物质的外观形貌，使颗粒更趋近于球形并降低尺寸多分散系数。但在传统的方法中，TEOS水解反应在均相溶液中反应，最终只会在物体表面均匀包覆一层二氧化硅，因此无法较大程度地改变被包覆物质形貌以及带来由形貌结构所引起的功能化。因而无法实现组装单元的多样性与复杂性。

近年来，科学家们发现在水/戊醇/聚乙烯吡咯烷酮(PVP)乳液体系中，TEOS的水解聚合可以实现不对称生长，从而得到单分散的二氧化硅棒。2011年，荷兰Utrecht大学的Anke Kuijk等人在水/正戊醇/PVP/柠檬酸钠体系中得到轴径比可调范围为3.7～8.0的SiO₂棒，棒的直径约为200～300纳米，棒的长度在几个微米(J.Am.Chem.Soc.2011,133,2346)。2013年美国橡树岭国家实验室的Jaswinder Sharma研究小组用温度控制SiO₂棒的粗细，得到粗细相间的多节式SiO₂棒(Angew.Chem.Int.Ed.2014,126,461)。

发明内容

本发明的目的是提供一种一端嵌有磁性颗粒的单分散二氧化硅棒的制备方法。

本发明通过如下技术方案实现上述目的：

一种二氧化硅不对称修饰磁性颗粒的制备方法，包括以下步骤：

将磁性颗粒分散在戊醇/聚乙烯吡咯烷酮(PVP)体系中，再加入水、乙醇、柠檬酸钠水溶液、氨水和原硅酸四乙酯(TEOS)，反应得到所述二氧化硅不对称修饰磁性颗粒。

根据本发明，所述步骤具体是：将磁性颗粒(如Fe₃O₄颗粒)分散在戊醇(如正戊醇)和PVP中，然后加入水、柠檬酸钠水溶液以及乙醇，形成柠檬酸钠和PVP分子稳定的水/戊醇乳液，随后加入氨水以及TEOS，反应得到所述二氧化硅不对称修饰磁性颗粒。

根据本发明，在柠檬酸钠和PVP分子稳定的水/戊醇乳液体系中，TEOS溶解于戊醇相中，TEOS在氨水的催化下生成Si(OH)₄(即TEOS的水解反应)，其会扩散到水滴中并在其中发生缩聚反应析出二氧化硅。随着TEOS的水解，在磁性颗粒的表面会形成二氧化硅薄层，且随着二氧化硅的析出，PVP嵌入到二氧化硅中而不断减少，随着PVP对水的束缚力的减弱，水/戊醇表面张力使得水聚集成半球形的液滴，TEOS的水解产物继续扩散到该液滴中并聚合析出二氧化硅，从单方向沉积在磁性颗粒的与液滴接合的一面，进而得到一端嵌有磁性颗粒的二氧化硅棒。

根据本发明，所述水的使用量优选为0.5-1.5mL，更优选为0.8-1.2mL。所述水优选是二次水或纯净水。

根据本发明，所述氨水的使用量优选为0.2-0.8mL，更优选0.4-0.7mL。

根据本发明，所述水解反应的温度优选为20-65℃，更优选25-40℃，所述反应时间可以为2-8小时，优选6-8小时。

根据本发明，所述磁性颗粒优选为Fe₃O₄磁性颗粒。所述磁性颗粒为磁性胶体颗粒，其直径优选为100-900nm，更优选为200-800nm，又优选为400-600nm。

根据本发明，所述Fe₃O₄磁性颗粒可以使用现有技术中已知的各种方法制备，优选使用水热法制备。