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SiO_2、ZnO空心微球及SiO_2/Ag复合微球的制备与性能研究

邓字巍  
【摘要】: 近年来,各种特殊结构形貌纳米材料的制备及其性能研究,引起人们极大兴趣,其中以空心微球和含金属纳米粒子介电复合微球的研究备受关注。空心微球作为一种新型功能材料,具有较大的比表面积,较小的密度,表面可渗透性,中空部分可容纳客体分子等优点;含金属纳米粒子介电复合微球,其金属纳米粒子自身的表面等离子体共振,以及它引起金属纳米粒子内部和周围附近局域电磁场增强等特性,赋予了复合微球材料很好的光、电、磁等性能。因此,对这些功能微球材料制备和应用的研究,有着深远的理论意义和应用前景。本论文分别在相同介质条件下通过“一步法”制备了单分散SiO_2、ZnO空心微球,整个制备过程无需溶剂溶解或高温煅烧等后处理模板步骤,形成空心微球方法操作简单;利用聚乙烯吡咯烷酮(PVP)还原与稳定双重作用,将贵金属Ag纳米粒子有效的复合到SiO_2微球表面,整个制备过程无需添加其它还原剂还原银盐以及对SiO_2表面进行修饰处理。而且,对这些功能微球材料所具有的光催化性能,催化性能以及表面增强拉曼光谱(SERS)性质分别做了研究,具体研究内容及结果如下: (1)基于本实验组独创制备微米级大粒径空心微球的基础上,进一步制备出小粒径单分散SiO_2空心微球。通过偶氮二异丁基脒盐酸盐(AIBA)为阳离子引发剂,聚乙烯吡咯烷酮(PVP)为稳定剂,采用无皂乳液聚合制备出小粒径聚苯乙烯(PS)微球分散液。经透析处理后,加入EtOH控制PS分散液固含量。在此PS分散液中加入氨水和正硅酸乙酯(TEOS),通过TEOS的水解-缩合反应形成SiO_2纳米粒子。由于PS微球表面带正电荷基团,而SiO_2粒子表面的羟基呈负电荷,因此可以通过静电相互作用将SiO_2吸附到PS微球表面,形成SiO_2包覆PS的复合微球。同时,由于催化剂氨水的加入,碱性的乙醇介质能够“溶解”刻蚀PS模板微球,形成空心SiO_2微球,从而实现了小粒径SiO_2空心微球在相同介质条件下的“一步法”制备,且空心微球形态以及壳层厚度可通过氨水,TEOS浓度进行调节控制。整个制备过程相对简单,不需要采用传统无机空心微球制备时所需的溶剂溶解、高温煅烧等后处理模板微球过程。 (2)在上述“一步法”制备空心微球研究的基础之上,通过控制实验条件在相同介质下进一步制备出ZnO空心微球,并研究ZnO空心微球的光催化活性。采用分散聚合制备出单分散PS微球,并在浓H_2SO_4中发生磺化反应,形成表面带有磺酸基团壳层的PS微球。选用磺化PS微球为模板,分散于乙醇介质中,分别加入Zn(Ac)_2·2H_2O,NaOH乙醇溶液。当带正电荷的锌离子通过静电作用被完全吸附到磺化PS微球表面后,并与加入的NaOH,在60℃条件下反应形成ZnO纳米晶。这些新生成的ZnO纳米晶继续进行粒径增长,并逐渐在PS微球表面形成ZnO壳层。当在此过程中或过程后,磺化的PS微球被碱化的乙醇介质所“溶解”刻蚀,形成ZnO空心微球。与其它制备ZnO空心微球方法相比,不需再外加有机溶剂或通过高温煅烧来除去模板微球;同时制备条件相对温和,不需要很高的反应温度和很长反应时间来获得空心结构。制备的ZnO空心微球表现出很好光催化性能,可作为光催化剂在紫外光照射下光催化降解有机染料溶液。 (3)以St(?)ber方法制备的SiO_2微球为模板,通过SiO_2微球表面Si-OH的静电作用,将[Ag(NH_3)_2]~+吸附到微球表面,利用聚乙烯吡咯烷酮(PVP)稳定和还原的双重作用,将[Ag(NH_3)_2]~+成功地还原成Ag纳米粒子,制备出稳定的SiO_2/Ag复合微球。与其它制备含银纳米粒子的复合微球方法相比,整个过程中无需再添加其它还原剂还原银盐以及对SiO_2表面进行修饰处理。且SiO_2微球表面的银纳米粒子大小和银粒子覆盖程度,可以通过[Ag(NH_3)_2]~+浓度控制。利用透射电镜(TEM)、扫描电镜(SEM)、X-射线光电子能谱(XPS),X-射线衍射仪(XRD)和紫外-可见分光光度计对形成的SiO_2/Ag复合微球进行了表征。同时研究表明制备出的SiO_2/Ag复合微球可以用于催化剂催化还原有机染料溶液,表现出很好的催化活性。SiO_2/Ag复合微球作为活性基底材料,使检测的对巯基苯胺拉曼光谱信号明显增强,表明SiO_2/Ag复合微球表现出表面增强拉曼光谱(SERS)特性。


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