Name: 微波辅助酸催化制备二氧化硅纳米颗粒 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2013-12-16T14:15:00.000+00:00
Duration: 9 min 43 s
Description: 学习利用微波辅助酸催化技术合成二氧化硅纳米颗粒的方法，通过调控反应条件可精确控制粒径在30至250纳米范围内。该方法快速高效，适用于纳米技术与材料科学研究。

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

本研究由美国国防威胁降低局（Defense Threat Reduction Agency）物理科学与技术部防护与危害缓解技术领域提供资金支持。部分研究得到了橡树岭科学与教育研究所（Oak Ridge Institute for Science and Education, ORISE）管理的美国空军研究实验室研究生研究参与计划的资助，该资助通过美国能源部与美国空军研究实验室材料与制造局空军基地技术部（AFRL/RXQ）之间的机构间协议提供。

1.&#160;准备与计算
<ol>
	<li>使用浓度为37%的浓盐酸和水配制1 mM的HCl溶液。 
	注意：操作浓酸时应始终谨慎。必须将浓酸缓慢加入水中，切勿将水加入浓酸中。</li>
	<li>确定微波反应中硅氧烷前体TMOS的所需浓度。在本操作示范中，将使用25 mM的TMOS浓度。</li>
</ol>
2.&#160;TMOS 的水解与反应溶液的制备
<ol>
	<li>配制25 mM TMOS丙酮溶液时，准备一个50 ml&#160;塑料锥形管、TMOS以及已配制好的1 mM HCl溶液。</li>
	<li>使用微量移液器，将850 µl&#160;的1 mM HCl溶液加入塑料锥形管中。</li>
	<li>使用微量移液器，向含有850 µl&#160;1 mM HCl的塑料锥形管中加入150 µl&#160;TMOS。</li>
	<li>观察发现，TMOS与酸溶液最初不互溶，形成两层透明无色的液体。</li>
	<li>涡旋混合溶液。短暂涡旋会使溶液略显浑浊并呈淡白色；再次涡旋后溶液将恢复为透明无色。总涡旋时间约为10秒。此时，TMOS已水解，转化为硅酸形式。</li>
	<li>向含有硅酸溶液的塑料锥形管中加入丙酮，稀释至总体积为40 ml。加丙酮稀释后，通过涡旋确保充分混匀。</li>
</ol>
注意：在微波加热之前，硅酸/丙酮溶液可稳定数小时。在类似的制备溶液中，未观察到二氧化硅缩合现象，这些溶液在数周内保持稳定，且无任何缩合迹象。尽管如此，为获得最佳结果，反应溶液应在制备当天使用，以确保结果的可重复性。
3.&#160;在微波反应仪上创建微波方法
<ol>
	<li>在提供的软件中创建用于 SiO2 纳米颗粒形成的微波方法。典型的反应参数包括：功率 = 300 W，温度 = 125 °C，时间 = 60 秒。通过外接笔记本电脑，可将温度、压力和功率的变化曲线保存、绘图，并与后续实验进行比较，如图 1所示。</li>
</ol>
4.&#160;微波辅助合成 SiO2&#160;纳米颗粒
<ol>
	<li>取一个 10 ml&#160;微波反应瓶、搅拌子和卡口盖。</li>
	<li>将搅拌子加入反应瓶中，并使用微量移液器向微波反应瓶中加入 5 ml&#160;硅酸/丙酮反应溶液。反应体积应为 5 ml&#160;，以提供足够的顶空空间，容纳过热丙酮产生的压力。</li>
	<li>将卡口盖盖在 10 ml&#160;反应瓶上。确保瓶盖正确密封，以减少溶剂在过热时的损失。</li>
	<li>将反应瓶放入微波反应器中。</li>
	<li>按下笔记本电脑上的启动按钮，开始微波加热程序。观察压力头组件是否正确安装到位，并确认反应开始后微波功率设置正确：包括正确的功率设定、反应温度上升以及反应压力的生成。当反应时间结束时，压缩空气将迅速冷却反应体系。</li>
	<li>冷却后，从微波反应器中取出反应瓶。</li>
</ol>
注意：通常在通过这些微波辅助方法制备SiO2纳米颗粒时，5 ml&#160;反应体系的报道转化率约为40–50%19。
5.&#160;反应溶液的DLS粒径分析
<ol>
	<li>取一个一次性聚苯乙烯比色皿。</li>
	<li>向比色皿中加入 900 µl&#160;蒸馏水。</li>
	<li>向含有水的比色皿中加入 100 µl&#160;含 SiO2 纳米颗粒的反应溶液，并混匀。</li>
	<li>按照动态光散射（DLS）分析仪软件的操作流程进行设置，并分析溶液的粒径。</li>
</ol>
6.&#160;SiO2 纳米颗粒清洁程序
<ol>
	<li>向一个Eppendorf管中加入1 ml&#160;SiO2纳米颗粒反应溶液。</li>
	<li>以15.7k × g离心30–60分钟&#160;，具体时间取决于颗粒直径。</li>
	<li>小心倾去SiO2纳米颗粒沉淀物上方的过量溶液。</li>
	<li>加入1 ml&#160;新鲜丙酮，并将样品置于超声浴中5–10分钟，以重新悬浮SiO2纳米颗粒。</li>
	<li>重复上述步骤（离心、倾去上清、重悬）两次，以充分去除残留的硅酸。</li>
</ol>
7.&#160;扫描电镜样品制备
<ol>
	<li>使用前，在超声波清洗槽中清洗高度抛光的单晶硅晶圆，时间约为30分钟。</li>
	<li>从超声波清洗槽中取出后，将硅晶圆置于piranha溶液（3:1 浓H2SO4:30% H2O2）中，在80 °C下处理1小时。随后用蒸馏水冲洗硅晶圆并干燥。 
	注意：操作浓酸，尤其是piranha溶液时，应格外小心。</li>
	<li>将经过清洗或未清洗的SiO2纳米颗粒溶液滴涂到已清洁的硅晶圆表面。</li>
	<li>将制备好的样品放置在溅射系统的圆柱形管内的硅晶圆上。</li>
	<li>将溅射系统的圆柱形管抽真空至40 mTorr。</li>
	<li>用氩气冲洗溅射系统的圆柱形管，直至压力达到约200 mTorr。</li>
	<li>将压力降至80 mTorr，施加15 mA的电流并保持恒定，对制备的样品溅射铂60秒。</li>
</ol>

<ol><li>Stober, W., Fink, A., Bohn, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((CONTROLLED+GROWTH+OF+MONODISPERSE+SILICA+SPHERES+IN+MICRON+SIZE+RANGE%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Colloid+Interface+Sci%22%5BJournal%5D)">CONTROLLED GROWTH OF MONODISPERSE SILICA SPHERES IN MICRON SIZE RANGE.</a> J. Colloid Interface Sci. 26, 62(1968).</li>
<li>Chiang, Y. D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Controlling+Particle+Size+and+Structural+Properties+of+Mesoporous+Silica+Nanoparticles+Using+the+Taguchi+Method%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Phys.+Chem.+C%22%5BJournal%5D)">Controlling Particle Size and Structural Properties of Mesoporous Silica Nanoparticles Using the Taguchi Method.</a> J. Phys. Chem. C. 115, 13158-13165 (2011).</li>
<li>Hartlen, K. D., Athanasopoulos, A. P. T., Kitaev, V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Facile+preparation+of+highly+monodisperse+small+silica+spheres+%2815+to+%3E+200+nm%29+suitable+for+colloidal+templating+and+formation+of+ordered+arrays%5BTitle%5D)+AND+%22Langmuir%22%5BJournal%5D)">Facile preparation of highly monodisperse small silica spheres (15 to > 200 nm) suitable for colloidal templating and formation of ordered arrays.</a> Langmuir. 24, 1714-1720 (2008).</li>
<li>Finnie, K. S., Bartlett, J. R., Barbe, C. J. A., Kong, L. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Formation+of+silica+nanoparticles+in+microemulsions%5BTitle%5D)+AND+%22Langmuir%22%5BJournal%5D)">Formation of silica nanoparticles in microemulsions.</a> Langmuir. 23, 3017-3024 (2007).</li>
<li>El Hawi, N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Silica+Nanoparticles+Grown+and+Stabilized+in+Organic+Nonalcoholic+Media%5BTitle%5D)+AND+%22Langmuir%22%5BJournal%5D)">Silica Nanoparticles Grown and Stabilized in Organic Nonalcoholic Media.</a> Langmuir. 25, 7540-7546 (2009).</li>
<li>Qiao, Z. A., Zhang, L., Guo, M. Y., Liu, Y. L., Huo, Q. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Synthesis+of+Mesoporous+Silica+Nanoparticles+via+Controlled+Hydrolysis+and+Condensation+of+Silicon+Alkoxide%5BTitle%5D)+AND+%22Chem.+Mater%22%5BJournal%5D)">Synthesis of Mesoporous Silica Nanoparticles via Controlled Hydrolysis and Condensation of Silicon Alkoxide.</a> Chem. Mater. 21, 3823-3829 (2009).</li>
<li>Yu, Q. Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Hydrothermal+Synthesis+of+Hollow+Silica+Spheres+under+Acidic+Conditions%5BTitle%5D)+AND+%22Langmuir%22%5BJournal%5D)">Hydrothermal Synthesis of Hollow Silica Spheres under Acidic Conditions.</a> Langmuir. 27, 7185-7191 (2011).</li>
<li>Chen, S. L., Dong, P., Yang, G. H., Yang, J. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Kinetics+of+formation+of+monodisperse+colloidal+silica+particles+through+the+hydrolysis+and+condensation+of+tetraethylorthosilicate%5BTitle%5D)+AND+%22Ind.+Eng.+Chem.+Res%22%5BJournal%5D)">Kinetics of formation of monodisperse colloidal silica particles through the hydrolysis and condensation of tetraethylorthosilicate.</a> Ind. Eng. Chem. Res. 35, 4487-4493 (1996).</li>
<li>Caddick, S., Fitzmaurice, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Microwave+enhanced+synthesis%5BTitle%5D)+AND+%22Tetrahedron%22%5BJournal%5D)">Microwave enhanced synthesis.</a> Tetrahedron. 65, 3325-3355 (2009).</li>
<li>Baghbanzadeh, M., Carbone, L., Cozzoli, P. D., Kappe, C. O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Microwave-Assisted+Synthesis+of+Colloidal+Inorganic+Nanocrystals%5BTitle%5D)+AND+%22Angew.+Chem.+Int.+Edit%22%5BJournal%5D)">Microwave-Assisted Synthesis of Colloidal Inorganic Nanocrystals.</a> Angew. Chem. Int. Edit. 50, 11312-11359 (2011).</li>
<li>Tompsett, G. A., Conner, W. C., Yngvesson, K. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Microwave+synthesis+of+nanoporous+materials%5BTitle%5D)+AND+%22ChemPhysChem%22%5BJournal%5D)">Microwave synthesis of nanoporous materials.</a> ChemPhysChem. 7, 296-319 (2006).</li>
<li>Lovingood, D. D., Strouse, G. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Microwave+Induced+In-Situ+Active+Ion+Etching+of+Growing%5BTitle%5D)+AND+%22InP+Nanocrystals.+Nano+Lett%22%5BJournal%5D)">Microwave Induced In-Situ Active Ion Etching of Growing.</a> InP Nanocrystals. Nano Lett. 8, 3394-3397 (2008).</li>
<li>Washington, A. L., Strouse, G. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Microwave+Synthetic+Route+for+Highly+Emissive+TOP%2FTOP-S+Passivated+CdS+Quantum+Dots%5BTitle%5D)+AND+%22Chem.+Mater%22%5BJournal%5D)">Microwave Synthetic Route for Highly Emissive TOP/TOP-S Passivated CdS Quantum Dots.</a> Chem. Mater. 21, 3586-3592 (2009).</li>
<li>Washington, A. L., Strouse, G. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Microwave+synthesis+of+CdSe+and+CdTe+nanocrystals+in+nonabsorbing+alkanes%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Am.+Chem.+Soc%22%5BJournal%5D)">Microwave synthesis of CdSe and CdTe nanocrystals in nonabsorbing alkanes.</a> J. Am. Chem. Soc. 130, 8916-8922 (2008).</li>
<li>Washington, A. L., Strouse, G. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Selective+Microwave+Absorption+by+Trioctyl+Phosphine+Selenide%3A+Does+It+Play+a+Role+in+Producing+Multiple+Sized+Quantum+Dots+in+a+Single+Reaction%3F%5BTitle%5D)+AND+%22Chem.+Mater%22%5BJournal%5D)">Selective Microwave Absorption by Trioctyl Phosphine Selenide: Does It Play a Role in Producing Multiple Sized Quantum Dots in a Single Reaction?</a> Chem. Mater. 21, 2770-2776 (2009).</li>
<li>Gerbec, J. A., Magana, D., Washington, A., Strouse, G. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Microwave-enhanced+reaction+rates+for+nanoparticle+synthesis%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Am.+Chem.+Soc%22%5BJournal%5D)">Microwave-enhanced reaction rates for nanoparticle synthesis.</a> J. Am. Chem. Soc. 127, 15791-15800 (2005).</li>
<li>Kappe, C. O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Controlled+microwave+heating+in+modern+organic+synthesis%5BTitle%5D)+AND+%22Angew.+Chem.+Int.+Edit%22%5BJournal%5D)">Controlled microwave heating in modern organic synthesis.</a> Angew. Chem. Int. Edit. 43, 6250-6284 (2004).</li>
<li>Nuchter, M., Ondruschka, B., Bonrath, W., Gum, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Microwave+assisted+synthesis+-+a+critical+technology+overview%5BTitle%5D)+AND+%22Green+Chem%22%5BJournal%5D)">Microwave assisted synthesis - a critical technology overview.</a> Green Chem. 6, 128-141 (2004).</li>
<li>Lovingood, D. D., Owens, J. R., Seeber, M., Kornev, K. G., Luzinov, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Controlled+Microwave-Assisted+Growth+of+Silica+Nanoparticles+under+Acid+Catalysis%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Appl.+Mater.+Interfaces%22%5BJournal%5D)">Controlled Microwave-Assisted Growth of Silica Nanoparticles under Acid Catalysis.</a> ACS Appl. Mater. Interfaces. 4, 6875-6883 (2012).</li>
<li>Davies, G. L., Barry, A., Gun'ko, Y. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Preparation+and+size+optimisation+of+silica+nanoparticles+using+statistical+analyses%5BTitle%5D)+AND+%22Chem.+Phys.+Lett%22%5BJournal%5D)">Preparation and size optimisation of silica nanoparticles using statistical analyses.</a> Chem. Phys. Lett. 468, 239-244 (2009).</li>
<li>Park, S. E., Kim, D. S., Chang, J. S., Kim, W. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Synthesis+of+MCM-41+using+microwave+heating+with+ethylene+glycol%5BTitle%5D)+AND+%22Catal.+Today%22%5BJournal%5D)">Synthesis of MCM-41 using microwave heating with ethylene glycol.</a> Catal. Today. 44, 301-308 (1998).</li>
<li>Mily, E., Gonzalez, A., Iruin, J. J., Irusta, L., Fernandez-Berridi, M. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Silica+nanoparticles+obtained+by+microwave+assisted+sol-gel+process%3A+multivariate+analysis+of+the+size+and+conversion+dependence%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Sol-Gel+Sci.+Technol%22%5BJournal%5D)">Silica nanoparticles obtained by microwave assisted sol-gel process: multivariate analysis of the size and conversion dependence.</a> J. Sol-Gel Sci. Technol. 53, 667-672 (2010).</li>
<li>Brinker, C. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((HYDROLYSIS+AND+CONDENSATION+OF+SILICATES+-+EFFECTS+ON+STRUCTURE%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Non-Cryst.+Solids%22%5BJournal%5D)">HYDROLYSIS AND CONDENSATION OF SILICATES - EFFECTS ON STRUCTURE.</a> J. Non-Cryst. Solids. 100, 31-50 (1988).</li>
<li>Arriagada, F. J., Osseo-Asare, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Synthesis+of+nanosize+silica+in+a+nonionic+water-in-oil+microemulsion%3A+Effects+of+the+water%2Fsurfactant+molar+ratio+and+ammonia+concentration%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Colloid+Interface+Sci%22%5BJournal%5D)">Synthesis of nanosize silica in a nonionic water-in-oil microemulsion: Effects of the water/surfactant molar ratio and ammonia concentration.</a> J. Colloid Interface Sci. 211, 210-220 (1999).</li>
<li>Burda, C., Chen, X. B., Narayanan, R., El-Sayed, M. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Chemistry+and+properties+of+nanocrystals+of+different+shapes%5BTitle%5D)+AND+%22Chem.+Rev%22%5BJournal%5D)">Chemistry and properties of nanocrystals of different shapes.</a> Chem. Rev. 105, 1025-1102 (2005).</li>
<li>Iler, R. K. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aIler%2C+RK+%22The+Chemistry+of+Silica+-+Solubility%2C+Polymerization%2C+Colloid+and+Surface+Properties+and+Biochemistry%22">The Chemistry of Silica - Solubility, Polymerization, Colloid and Surface Properties and Biochemistry</a>. , Plenum Press. (1979).</li>
<li>Artaki, I., Sinha, S., Irwin, A. D., Jonas, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((29Si+NMR+study+of+the+initial+stage+of+the+sol-gel+process+under+high+pressure%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Non-Cryst.+Solids%22%5BJournal%5D)">29Si NMR study of the initial stage of the sol-gel process under high pressure.</a> J. Non-Cryst. Solids. 72, 391-402 (1985).</li>
<li>Sorensen, L., Strouse, G. F., Stiegman, A. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fabrication+of+stable+low-density+silica+aerogels%2C+containing+luminescent+ZnS+capped+CdSe+quantum+dots%5BTitle%5D)+AND+%22Adv.+Mater%22%5BJournal%5D)">Fabrication of stable low-density silica aerogels, containing luminescent ZnS capped CdSe quantum dots.</a> Adv. Mater. 18, 1965(2006).</li>
<li>Lita, A., Washington, A. L., Lvan de Burgt,, Strouse, G. F., Stiegman, A. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Stable+Efficient+Solid-State+White-Light-Emitting+Phosphor+with+a+High+Scotopic%2FPhotopic+Ratio+Fabricated+from+Fused+CdSe-Silica+Nanocomposites%5BTitle%5D)+AND+%22Adv.+Mater%22%5BJournal%5D)">Stable Efficient Solid-State White-Light-Emitting Phosphor with a High Scotopic/Photopic Ratio Fabricated from Fused CdSe-Silica Nanocomposites.</a> Adv. Mater. 22, 3987-3991 (2010).</li>
<li>Halas, N. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Nanoscience+under+glass%3A+The+versatile+chemistry+of+silica+nanostructures%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Nano%22%5BJournal%5D)">Nanoscience under glass: The versatile chemistry of silica nanostructures.</a> ACS Nano. 2, 179-183 (2008).</li>
<li>Tang, F. Q., Li, L. L., Chen, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Mesoporous+Silica+Nanoparticles%3A+Synthesis%2C+Biocompatibility+and+Drug+Delivery%5BTitle%5D)+AND+%22Adv.+Mater%22%5BJournal%5D)">Mesoporous Silica Nanoparticles: Synthesis, Biocompatibility and Drug Delivery.</a> Adv. Mater. 24, 1504-1534 (2012).</li>
<li>Wang, Y. J., Price, A. D., Caruso, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Nanoporous+colloids%3A+building+blocks+for+a+new+generation+of+structured+materials%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Mater.+Chem%22%5BJournal%5D)">Nanoporous colloids: building blocks for a new generation of structured materials.</a> J. Mater. Chem. 19, 6451-6464 (2009).</li>
<li>Guerrero-Martinez, A., Perez-Juste, J., Liz-Marzan, L. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Recent+Progress+on+Silica+Coating+of+Nanoparticles+and+Related+Nanomaterials%5BTitle%5D)+AND+%22Adv.+Mater%22%5BJournal%5D)">Recent Progress on Silica Coating of Nanoparticles and Related Nanomaterials.</a> Adv. Mater. 22, 1182-1195 (2010).</li>
</ol>

我们没有需要披露的内容。

本文所述的微波辅助方法相较于传统加热方法具有优势，因为可以准确、精确且快速地合成SiO2纳米颗粒（NPs）。为避免这些微波相关技术在形成SiO2 NPs过程中可能出现的问题，应遵循以下准则：1）使用催化剂，如1 mM HCl；2）在加入丙酮之前应完成TMOS的水解；3）使用非质子性溶剂，如丙酮；4）使用搅拌子以确保溶剂均一性；5）使用可加压的反应体系。下文简要讨论了溶剂、催化剂和反应条件的选择及其优势，更深入的讨论可参见其他文献19。
二氧化硅溶胶的形成已通过多种不同方法得到报道，包括Stöber法和反相胶束法1,24-25。SiO2形成的具体机理主要取决于硅物种的缩合速率，而该速率直接受硅物种局部环境的控制。具体而言，催化剂和溶剂对硅的局部环境具有直接影响。
通常，由于碱性催化剂（如氢氧化铵）在二氧化硅形成过程中的反应速率高于酸催化条件下的反应速率，因此常被用于 SiO2 <e...

二氧化硅纳米颗粒（SiO2 NPs）最初由 Stöber 等人合成1，随后经过多种改进方法2-7，已成为合成 SiO2 NPs 的首选方法。通常，Stöber 反应在碱性条件下进行催化，生成二氧化硅溶胶。由于硅氧烷前体在酸性条件下的水解难度较大，酸催化反应的使用频率低于碱催化反应。与碱催化反应不同，酸催化反应更倾向于形成二氧化硅凝胶8。
微波辅助化学反应作为一种新兴技术，在科学界和文献中受到越来越多的关注，因其具有多种技术优势9-18。具体而言，微波辅助技术在纳米材料合成中表现出显著优势，尤其是在需要促进自发成核过程的场合。微波条件的优势在于微波反应器能够快速、可控地向反应体系传递能量10。然而，直到最近19，利用微波反应器合成二氧化硅纳米颗粒（SiO2 NPs）的成功案例仍然有限，主要原因是可重复性方面存在问题20-22。
文献中关于纳米材料合成的细节和实验方法通常较为模糊，有时甚至被视为一种&#34;艺术形式&#34;。将微波辅助合成技术与纳米材料制备相结合，可能使该领域更加复杂。本文旨在指导研究人员利用微波辅助技术合成纳米材料，消除与这些技术相关的模糊性，并指出这些技术中常见的错误。
在微波化学反应中，任何含有永久偶极的分子物种均可与电磁场发生相互作用并扰动该场。这些物种不仅限于反应中使用的试剂和溶剂，还可以是置于电磁场中的任何物质。 即 玻璃小瓶、盐类、离子液体
某种特定物质将电磁能有效转化为热能的能力被定义为材料的损耗因子或 tan δ。溶剂通常根据其损耗因子进行分类，其中 tan δ &#62; 0.5 的为高损耗因子，0.1 &#62; tan δ &#62; 0.5 的为中等损耗因子，tan δ &#60; 0.1 的为低损耗因子。这些损耗因子值反映了特定溶剂耦合或吸收微波能量并将其转化为热能的能力。热能是通过分子在试图与振荡的电磁场对齐时产生的分子摩擦而生成的。如果在反应中使用具有高 tan δ 值的溶剂，溶剂将主导微波吸收过程，掩盖前驱体或试剂，导致溶剂因强烈耦合电磁场而产生整体加热效应。
通常使用极性溶剂进行SiO₂的制备2 纳米颗粒合成以确保试剂溶解性及提供不稳定质子23. 二氧化硅中常用的溶剂2 纳米颗粒合成常用的醇类溶剂包括乙醇、甲醇或2-丙醇。这些溶剂均具有较高的tan δ 值（乙醇、2-丙醇和甲醇分别为 0.941、0.799 和 0.659），表明它们是微波辅助 SiO 化学反应的不良溶剂选择2 NPs 因能高效地与电磁场耦合。我们相信，当损耗角正切值较低时，微波辅助反应最为有效 δ 溶剂与极性分子前体结合用于合成反应中。这种条件下，分子前体可与电磁场耦合，实现分子水平加热，而溶剂则几乎不参与相互作用。在本文所述的微波辅助反应中，丙酮被用作替代常用醇类溶剂的选项，后者通常与SiO₂相关联2 纳米颗粒合成。丙酮被认为是一种低损耗因子溶剂（tan δ = 0.054），这限制了电磁场内溶剂分子的相互作用，从而实现反应物对微波的选择性吸收，并介导二氧化硅缩聚反应。
在本文中，我们概述了与微波辅助合成二氧化硅纳米颗粒（SiO2 NPs）相关的操作步骤，该方法准确、精确且快速。通过前驱体与电磁场的有效耦合实现 SiO2 NP 的生长，而溶剂在加热过程中所起作用较小。采用盐酸催化硅氧烷前驱体的水解，可减缓水解速率，并限制进一步的缩合反应。碱催化反应速率较快，若与微波辅助技术联用，可能使生长过程复杂化。采用这些方法合成的 SiO2 NPs 粒径范围从 30 nm 至超过 250 nm。通过调节前驱体浓度以及暴露于微波辐射的时间，可控制 SiO2 NPs 的粒径大小。

<table><tbody><tr><td>四甲基正硅酸酯</td><td>Sigma Aldrich</td><td>218472</td><td></td></tr><tr><td>盐酸，37%</td><td>Sigma Aldrich</td><td>435570</td><td></td></tr><tr><td>丙酮</td><td>Fisher</td><td>A949SK</td><td></td></tr><tr><td>硫酸</td><td>EMD Millipore</td><td>SX1244</td><td></td></tr><tr><td>过氧化氢，30%</td><td>EMD Millipore</td><td>HX0635</td><td></td></tr><tr><td>Discover 微波反应器</td><td>CEM</td><td></td><td></td></tr><tr><td>10 ml 硼硅酸盐反应小瓶</td><td>CEM</td><td>908035</td><td></td></tr><tr><td>10 ml 快速密封盖</td><td>CEM</td><td>909210</td><td></td></tr><tr><td>3 mm 搅拌子</td><td>Fisher Scientific</td><td>14-513-65</td><td></td></tr><tr><td>高抛光硅晶圆片</td><td>Broker</td><td>SP064483</td><td></td></tr><tr><td>S4800 扫描电子显微镜（SEM）</td><td>Hitachi</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Zetasizer Nano90</td><td>Malvern</td><td></td><td></td></tr><tr><td>聚苯乙烯比色皿（10 mm × 10 mm × 45 mm）</td><td>Sarstedt</td><td>67.754</td><td></td></tr><tr><td>5415D 离心机</td><td>Eppendorf</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Hummer 6.2 溅射系统</td><td>Anatech</td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

通过微波辅助酸催化法制备二氧化硅纳米颗粒

Preparation of Silica Nanoparticles Through Microwave-assisted Acid-catalysis

采用微波辅助合成技术，通过改变反应条件，使用酸催化剂快速且可重复地制备出粒径范围为30-250 nm的二氧化硅纳米粒子sols。通过选择与微波兼容的溶剂、硅酸前体、催化剂以及微波辐照时间，这些微波辅助方法能够克服此前报道中使用微波反应器合成二氧化硅纳米粒子时存在的各种不足。硅氧烷前体在盐酸（HCl）酸催化剂作用下发生水解。丙酮作为一种低介电损耗角正切（tan δ）溶剂，可促进缩合反应，并与电磁场的相互作用极小。当硅酸前体与微波辐射发生耦合作用时，缩合反应启动，从而形成二氧化硅纳米粒子sol。通过动态光散射数据和扫描电子显微镜对二氧化硅纳米粒子进行表征，结果显示材料的形貌和尺寸依赖于反应条件。微波辅助反应生成的二氧化硅纳米粒子具有粗糙的表面纹理，这与采用Stöber方法制备的具有光滑表面的二氧化硅sols不同。

代表性 SiO 的温度、压力和微波功率变化曲线2 微波辅助反应在纳米颗粒中的应用 图1微波反应过程分为三个阶段——升温和、反应和冷却。反应温度为 125 °C 反应时间为 60 秒，在此代表性 SiO2 NP反应。在升温阶段，功率最大化至300 W（或接近最大功率），以便快速达到目标反应温度，同时避免超过该温度。当温度超过溶剂沸点时，反应体系开始加压。一旦达到目标反应温度，微波功率随即降低，并通过功率波动维持设定的目标温度。在规定的反应时间结束后，功率降至0 W，并向反应小瓶快速吹入压缩空气，迅速降低温度并终止颗粒生长。温度数据通过红外测温仪记录。
在图2中展示了含有已制备的SiO2纳米颗粒（NPs）的反应小瓶，其粒径范围为40–270 nm。所制备的反应小瓶中包含分散在丙酮溶液中的SiO2纳米颗粒。SiO2纳米颗粒的粒径通过动态光散射（DLS）测定，并基于强度测量结果以zeta平均值表示。当SiO<sub...

采用硅氧烷前驱体的酸催化及微波辅助合成技术制备二氧化硅纳米颗粒，实现了对粒径范围为30-250 nm的纳米材料的可控生长。通过调节初始硅酸浓度、反应时间和反应温度，可控制其生长动力学。

采用微波辅助合成技术，利用酸催化剂快速、可重复地制备二氧化硅纳米颗粒溶胶，所得纳米颗粒...

本实验的总体目标是演示通过微波辅助技术结合酸催化剂合成硅纳米颗粒所需的操作步骤。首先选择适合微波反应的前驱体和溶剂，使用TEOS、盐酸和丙酮配制前驱体溶液。随后利用微波辐照技术处理所制备的前驱体溶液，从而获得悬浮于丙酮溶液中的硅纳米颗粒。最后，采用动态光散射和扫描电子显微镜对所制备的纳米材料进行表征，以观察其在尺寸和形貌上的代表性差异。该方法相较于现有技术的主要优势在于，可通过微波辅助技术结合酸催化剂，快速且可重复地合成硅纳米颗粒SOS，仅通过改变反应条件即可使纳米颗粒的直径在30至250纳米范围内调控。对于25毫摩尔的TEOS与丙酮反应溶液，取一个50毫升的塑料锥形管，使用微量移液器向其中加入850微升已配制的1毫摩尔盐酸溶液，然后向管中加入150微升TEOS。观察到正硅酸乙酯与酸的混合物最初是可混溶的，形成两层澄清无色的液体。涡旋振荡溶液，短暂振荡即可使溶液变为微浑浊并呈现淡白色涡旋状。溶液将再次呈现澄清无色的状态。总涡旋时间为约10秒。此时，正硅酸乙酯（TEOS）已水解并以硅酸形式存在，向含有硅酸溶液的塑料锥形管中加入丙酮，并稀释至总体积为40毫升。通过涡旋振荡确保溶液充分混匀。用丙酮稀释溶液后，在提供的软件中建立二氧化硅纳米颗粒形成的微波反应程序。典型的反应参数包括：功率为300瓦，温度为125摄氏度，时间为60秒。使用外部笔记本电脑，可存储、绘制并比较温度、压力和功率曲线，以便与后续实验进行对比。向一个10毫升的微波反应小瓶中加入搅拌子，并用移液器将5毫升硅酸丙酮反应溶液加入该微波小瓶中。应使用5毫升的反应体积，以提供足够的顶空空间，容纳过热丙酮产生的压力。将扣盖置于10毫升小瓶上，确保瓶盖正确安装在小瓶上以减少溶剂损失。当需要超热时，将小瓶放入微波反应器中，按下笔记本电脑上的启动按钮以开始微波加热程序。注意正确安放压力头组件。观察并确保微波功率设置正确。反应开始后，反应温度上升并产生反应压力。当反应时间结束后，压缩空气将迅速冷却反应体系。从微波反应器中取出反应小瓶，待其冷却后进行后续操作。进行动态光散射（DLS）粒径分析时，向一次性聚苯乙烯比色皿中加入900微升蒸馏水。将100微升含有二氧化硅纳米颗粒的反应溶液加入盛有水的比色皿中并混匀。按照动态光散射分析仪软件的操作流程设置测量程序，并对溶液进行粒径分析，随后执行清洗步骤。通过将一毫升反应溶液加入离心管中离心30分钟至1小时（具体时间取决于颗粒直径），对二氧化硅纳米颗粒进行清洗。小心倾倒去除二氧化硅纳米颗粒沉淀中的过量溶液。加入一毫升新鲜丙酮，并将颗粒置于超声浴中5至10分钟，以重新悬浮纳米颗粒。为充分去除残留的硅酸以进行扫描电子显微镜（SEM）观察，重复此步骤两次。使用前，将高度抛光的单晶硅片置于超声波清洗槽中清洗约30分钟。将硅片与piranha溶液在80摄氏度下放置一小时。从超声波清洗槽中取出后，用蒸馏水冲洗硅片，并用滴铸法将二氧化硅纳米粒子溶液滴加到洁净的硅片上，溶液可清洁或不清洁。将制备好的样品置于溅射系统的圆筒管内的硅片上。将溅射系统的圆筒管抽真空至40毫托。用氩气吹扫溅射系统的圆柱形管，直至压力达到约 200 milour。将压力降低至 80 milour，并施加 15 毫安的电压，在对制备好的样品进行 SEM 溅射铂处理 60 秒前，将该电压保持恒定作为最后一步。代表性样品的温度、压力和微波功率变化曲线。本文展示了二氧化硅纳米颗粒的微波辅助反应。微波反应过程分为三个阶段：升温、反应和冷却。在此代表性反应中，反应温度为125摄氏度，反应时间为60秒。在升温阶段，功率被最大化至300瓦，以便在不超出目标反应温度的前提下快速达到反应温度，此时反应开始加压。一旦温度升至溶剂沸点以上并达到反应温度，微波功率即降低，并通过功率波动维持设定的目标温度。在规定的反应时间结束后，将功率降至零瓦，并快速向反应小瓶中吹入压缩空气，以迅速降低温度并终止颗粒生长。此处展示的反应小瓶中含有制备好的二氧化硅纳米颗粒，其粒径范围为40至270纳米，由动态光散射测定，数据为基于强度测量的泽塔平均值。当二氧化硅纳米颗粒的粒径小于125纳米时，反应溶液呈透明无色。 当粒子直径大于125纳米时，溶液呈淡白色。此处展示的三维柱状图表明，通过在125摄氏度下控制初始正硅酸乙酯（TeOS）浓度和反应时间，利用微波辅助技术可合成出不同尺寸和多分散性的二氧化硅纳米粒子。TeOS浓度范围为10至50毫摩尔，反应时间范围为0至60秒，所得二氧化硅纳米粒子的直径范围从30纳米至超过275纳米。此处展示了通过微波辅助合成技术制备的二氧化硅纳米颗粒的扫描电子显微镜图像。这些显微图像来自未经所述清洗步骤处理的二氧化硅纳米颗粒溶液。可观察到一层类似玻璃的硅膜覆盖在整个制备的硅晶圆表面。在此放大倍数下，无法观察到二氧化硅纳米颗粒，但可以观察到由于制备过程中丙酮蒸发形成的大裂纹。此处可观察到二氧化硅薄膜的更详细形貌，以及被截留的二氧化硅纳米颗粒。该二氧化硅薄膜是在微波反应过程中硅酸未完全转化为二氧化硅纳米颗粒所致。如前所述，随着溶剂蒸发，未反应的硅酸开始缩合，从而将纳米颗粒包裹在薄膜中。此处所示的二氧化硅纳米颗粒是通过溶液制备的，其中反应溶液经过所提供的纯化步骤进行清洗；通过清洗反应溶液，大部分未反应的硅酸被去除，从而可以观察到单个的二氧化硅纳米颗粒。观看本视频后，您应能够充分理解如何利用微波辅助技术在酸催化条件下合成硅纳米颗粒，以及如何选择合适的微波兼容溶剂和前驱体（如T os、盐酸和丙酮），以促进二氧化硅纳米颗粒的制备。

preparation-silica-nanoparticles-through-microwave-assisted-acid

Research

科研

JoVE Journal

Chemistry

化学

通过微波辅助酸催化法制备二氧化硅纳米粒子

本文介绍了一种用于制备二氧化硅气凝胶的快速超临界萃取方法。通过使用密闭模具和液压热压机，可在八小时或更短时间内制得整体式气凝胶。...

通过快速超临界萃取法制备二氧化硅气凝胶整料

本文介绍了一种通过溶胶-凝胶法制备金嵌入介孔材料孔壁（GMS）的实验方案，该材料具有介孔结构，且金元素嵌入孔壁中，从而赋予材料优异的稳定性和可重复使用性。...

介孔二氧化硅孔壁中插层金的合成及其催化性能

以可视化形式展示了一种“可去除陶瓷涂层方法”，用于合成具有可调尺寸和晶体结构的非烧结、金属端接的单金属和双金属早期过渡金属碳化物和氮化物纳米颗粒。...

反相微乳液介导合成单金属与双金属早期过渡金属碳化物及氮化物纳米颗粒

微波技术可实现用于动脉粥样硬化斑块表征的氧化铁纳米颗粒的极快速合成。在纳米颗粒外侧使用氨基双膦酸盐可促进其在动脉粥样硬化区域的快速富集。...

微波驱动合成氧化铁纳米颗粒用于快速检测动脉粥样硬化

介绍了一种利用水稳定硅醇合成金属核纳米粒子的新方法。...

利用n-(2-氨基乙基)-3-氨基硅烷三醇制备零价金属核纳米颗粒

本文介绍了一种合成仿生二氧化硅材料并将其用于固定酶的实验方案。二氧化硅通过硅酸钠与一种胺类“添加剂”以可控速率中和反应而合成。材料的性质与功能可通过以下方式加以调控： 原位...

采用仿生法制备功能性二氧化硅

本文介绍了一种通过化学活化并在不同热解模式下进行后续改性，从生物质合成氮/氧双掺杂介孔碳的实验方案。我们证明，微波热解有利于后续的改性过程，可在碳材料上同时引入更多的氮和氧官能团。...

通过微波预热解法制备对Cu(II)具有更高氮/氧螯合吸附能力的生物质基介孔碳

本文报道了有序纳米多孔碳（孔径为4.6 nm）和SBA-15（孔径为5.3...

合成纳米多孔碳与二氧化硅基质的表面特性

通过将胺基金属配合物接枝到脱羟基二氧化硅上，制备了一种新型的第四族金属亚胺复分解催化剂。采用傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、元素微量分析和固态核磁共振波谱对表面金属片段进行表征。进一步通过动态核极化表面增强核磁共振波谱实验，补充确定了其配位环境。...

基于表面金属有机化学方法的二氧化硅负载催化剂催化亚胺复分解反应

本文介绍了一种在掺杂钴和氮的碳纳米管上负载钴纳米颗粒用于氢气生产的合成方案。...

在掺杂钴和氮原子的碳纳米管上负载金属纳米颗粒的合成及其在氢气生产中的催化应用

本研究旨在促进硅胶基底上负载或接枝氨基化合物的标准化技术的发展，此类方法在文献中通常仅被泛泛描述。本文将详细讨论溶剂、基底、胺类物质的具体用量以及其他重要实验参数的取值。...

一种用于制备负载型与接枝型胺基二氧化硅复合材料以实现碳捕集的合成方法

学习利用微波辅助酸催化技术合成二氧化硅纳米颗粒的方法，通过调控反应条件可精确控制粒径在30至250纳米范围内。该方法快速高效，适用于纳米技术与材料科学研究。

通过微波辅助酸催化法制备二氧化硅纳米颗粒

探索更多视频