[發明專利]分形結構二氧化硅球FSN的規模化合成方法及系統

在審

• 申請號: 201911322582.4
• 申請日: 2019-12-20
• 公開（公告）號: CN113003580A
• 公開（公告）日: 2021-06-22
• 發明（設計）人: 余承忠;劉洋;姚一寧
• 申請（專利權）人: 華東師范大學
• 主分類號: C01B33/18
• 分類號: C01B33/18;B01J19/18
• 代理公司: 上海德禾翰通律師事務所 31319
• 代理人: 陳艷娟

本發明公開了一種大規模合成分形結構二氧化硅球(FSN)的方法，配制醇、水、堿(酸)的混合溶液I；在所述醇、水、堿(酸)混合溶液I中，加入高分子前驅體、醛、二氧化硅前驅體，進行反應，得混合溶液II；在上述混合溶液II中繼續加入二醛類物質，進行沉淀反應，然后靜置分層、過濾、干燥、球磨、煅燒，得到所述分形結構二氧化硅納米球FSN。本發明通過同時調節反應體系的溫度、醇水比、正硅酸乙酯的使用量、優化合成工藝及裝置來放大生產，實現一次性制備500g以上顆粒均一孔徑可調的FSN，為FSN真正走向實際應用邁出堅實的一步。

技術領域

本發明屬于材料納米領域，具體涉及一種分形結構介孔二氧化硅球的規模化合成方法及系統。

背景技術

介孔二氧化硅材料擁有比表面積大、穩定性好、尺寸組成易控制、孔徑可調、表面基團可控等諸多優點，近年來被廣泛的應用于催化、吸附和分離、生物成像、藥物裝載和控釋納米加工、光熱療法等諸多領域。迄今為止，通過使用軟模板法和硬模板法，亦即控制模板和二氧化硅前驅體的自組裝過程，人們已經合成出各種各樣形貌的介孔二氧化硅，如六角形、立方、蠕蟲狀、膽形、類病毒和片狀中間相。

自從具有自相似性的“分形”結構在自然界中被發現以來就受到了人們廣泛的關注以及研究。廣為人知的分形結構如樹木、大腦網絡以及各種類型的凝聚態系統，如霜晶體和雪花。隨著人們對分形結構研究的愈發深入，當前，分形結構二氧化硅球也已經成功合成(PCT/AU2018/050579,DOI:10.1021/acs.chemmater.9b03864)。分形結構二氧化硅球(FSN)在微觀尺寸上具有高分枝自相似性、高密度的邊緣和尖銳的尖端的獨特拓撲結構。與傳統的介孔二氧化硅材料相比，FSN具有以下三個特點：第一，FSN的合成簡單，無需使用表面活性劑，十分利于大規模生產；第二，FSN的孔徑分布窄且孔徑可以連續調控，適合作為載體載入特定大小的催化劑、藥物等活性物質；第三，FSN表面粗糙呈刺狀，易于吸附在各種生物質上，為活性物質的釋放提供了便利。因此，FSN是一種十分有應用前景的新型納米二氧化硅材料。

然而，現有技術受限于合成工藝以及合成裝置的缺陷，如，現有技術采用水浴的方法進行加熱(加熱可能會不均勻且傳熱效率低)，磁力攪拌器進行攪拌(反應液體積大時無法均勻攪拌)，離心的方法進行分離(大容量的液體難以分離)以及馬弗爐進行煅燒(煅燒不充分高分子無法全部燒掉)，現有技術制備FSN中并未提及到醇水比以及二氧化硅前驅體的使用量對FSN形貌以及產量的影響。現有專利技術也并未提到產量的問題，但產量卻是實際應用重要參數之一。

發明內容

為克服現有技術的上述技術問題，本發明提出一種分形結構二氧化硅納米球FSN的規模化合成方法，包括：

a、配制醇、水、堿(酸)的混合溶液I；

b、在所述醇、水、堿(酸)混合溶液I中，加入高分子前驅體、醛、二氧化硅前驅體，進行反應，得混合溶液II；

c、在上述混合溶液II中繼續加入二醛類物質，進行沉淀反應，然后靜置分層、過濾、干燥、球磨、煅燒，得到所述分形結構二氧化硅納米球FSN。

FSN是一種在微觀尺度上具有高分枝自相似性、高密度的邊緣和尖銳的尖端的獨特拓撲結構的介孔二氧化硅納米球。本發明通過同時調節反應溫度、醇水比、正硅酸乙酯(TEOS)的使用量以及優化合成裝置(反應器，過濾裝置，干燥以及煅燒)來放大生產，制備成本大幅降低，FSN產率高，減少了繁瑣的制備工藝，易于工業化。

步驟a中，所述醇為甲醇、乙醇、正丙醇、異丙醇、丁醇、正丁醇、異丁醇、戊醇中的一種或多種。優選地，所述醇為乙醇和/或甲醇。更優選地，所述醇為乙醇。

步驟a中，所述醇在水中的體積分數為50％到99.9％。優選地，體積分數為66.7％到80％。更優選地，體積分數為66.7％。