Preparazione di nanoparticelle di silice mediante catalisi acida assistita da microonde

Sommario

Le nanoparticelle di silice sono state preparate utilizzando la catalisi acida di un precursore silossanico e tecniche sintetiche assistite da microonde con conseguente crescita controllata di nanomateriali di diametro compreso tra 30 e 250 nm. La dinamica di crescita può essere controllata variando la concentrazione iniziale di acido silicico, il tempo della reazione e la temperatura di reazione.

Abstract

Sono state utilizzate tecniche sintetiche assistite da microonde per produrre in modo rapido e riproducibile sol di nanoparticelle di silice utilizzando un catalizzatore acido con diametri di nanoparticelle che vanno da 30 a 250 nm variando le condizioni di reazione. Attraverso la selezione di un solvente compatibile con le microonde, un precursore dell'acido silicico, un catalizzatore e il tempo di irradiazione a microonde, questi metodi assistiti da microonde sono stati in grado di superare le carenze precedentemente riportate associate alla sintesi di nanoparticelle di silice utilizzando reattori a microonde. Il precursore del silossano è stato idrolizzato utilizzando il catalizzatore acido, HCl. L'acetone, un solvente δ a bassa abbronzatura, media le reazioni di condensazione e ha un'interazione minima con il campo elettromagnetico. Le reazioni di condensazione iniziano quando il precursore dell'acido silicico si accoppia con la radiazione a microonde, portando alla formazione di sol di nanoparticelle di silice. Le nanoparticelle di silice sono state caratterizzate da dati dinamici di diffusione della luce e microscopia elettronica a scansione, che mostrano che la morfologia e le dimensioni dei materiali dipendono dalle condizioni di reazione. Le reazioni assistite da microonde producono nanoparticelle di silice con superfici ruvide e strutturate che sono atipiche per i sol di silice prodotti con i metodi di Stöber, che hanno superfici lisce.

Introduzione

Le nanoparticelle di silice (SiO₂ NPs) sono state sintetizzate per la prima volta da Stöber¹ e attraverso le modifiche^2-7 sono diventate il metodo preferito per la sintesi di SiO₂ NPs. Tipicamente, le reazioni di Stöber sono catalizzate da condizioni alcaline in cui si formano sol di silice. Le reazioni catalizzate da acidi sono utilizzate meno frequentemente rispetto alle reazioni catalizzate da alcali a causa del maggior grado di difficoltà di idrolisi del precursore silossanico. A differenza delle reazioni catalizzate da alcali, le reazioni catalizzate da acidi formano preferenzialmente gel di silice.

Protocollo

1. Preparazione e calcoli

1. Preparare 1 mM di soluzione di HCl utilizzando acido cloridrico concentrato al 37% e acqua.
   NOTA: Prestare sempre attenzione quando si maneggiano acidi concentrati. L'acido concentrato deve essere sempre aggiunto all'acqua, non aggiungere mai acqua all'acido concentrato.
2. Determinare la concentrazione desiderata di TMOS, precursore del silossano, per la reazione a microonde. Per le dimostrazioni procedurali verrà utilizzata una concentrazione TMOS di 25 mM.

2. Idrolisi di TMOS e preparazione della soluzione di reazione

1. Per una soluzione di reazione da 25 mM di TMOS in a....

Risultati

Le tracce di temperatura, pressione e potenza del microonde per una reazione rappresentativa di nanoparticelle di SiO₂ assistita da microonde sono riportate in Figura 1. Il grafico della reazione a microonde è suddiviso in tre fasi: rampa di riscaldamento, reazione e raffreddamento. In questa reazione rappresentativa di nanoparticelle di SiO₂ vengono utilizzate una temperatura di reazione di 125 °C e un tempo di reazione di 60 secondi. Durante la fase di riscaldamento, la potenza è .......

Discussione

I metodi assistiti da microonde descritti in questo manoscritto sono vantaggiosi rispetto ai metodi di riscaldamento convenzionali perché le NP di SiO₂ possono essere sintetizzate in modo accurato, preciso e rapido. I seguenti criteri devono essere seguiti per eliminare qualsiasi potenziale problema associato alla formazione di NP di SiO₂ con queste tecniche associate alle microonde: 1) uso di un catalizzatore come 1 mM HCl, 2) l'idrolisi del TMOS deve essere completata prima dell'aggiunta di aceton.......

Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo

Nome	Azienda	Numero di catalogo	Commenti
Tetrametilortosilicato	Sigma Aldrich	218472
Acido cloridrico, 37%	Sigma Aldrich	435570
Acetone	Fisher	A949SK
Acido solforico	EMD Millipore	SX1244
Perossido di idrogeno, 30%	EMD Millipore	HX0635
Scopri il reattore a microonde	CEM
Fiala di reazione in borosilicato da 10 ml	CEM	908035
10 ml Tappo a scatto	CEM	909210
Barra di agitazione da 3 mm	Fisher Scientific	14-513-65
Wafer di silicone altamente lucidati	Broker	SP064483
S4800 SEM	Hitachi
Zetasizer Nano90	Malvern
Cuvetta in polistirene, (10 mm x 10 mm x 45 mm)	Sarstedt	67.754
5415D centrifuga	Eppendorf
Hummer 6.2 sistema sputtering	Anatech