核殼結構納米材料的組裝

1、核殼結構l4.1 核殼結構納米材料的研究l4.2 核殼結構納米材料的組裝方法l4.3 核殼結構納米材料的形成機理l4.4 核殼結構納米材料的性能及應用4.1.1 研究意義研究意義4.1.2 國內外研究現(xiàn)狀國內外研究現(xiàn)狀4.1 核核-殼結構納米材料的研究殼結構納米材料的研究Study on core-shell structrue （hollow structure） materials4.1.1研究意義研究意義1. 科學研究方面科學研究方面2. 實際應用方面實際應用方面 膠體和界面科學的研究膠體和界面科學的研究 合成新材料的一個方向合成新材料的一個方向 納納 米米 顆顆 粒粒 微微 米米 顆顆

2、 粒粒 經(jīng)經(jīng) 濟濟 效效 益益 市市 場場 競爭力競爭力 杜邦公司的報告中稱40%（610億美元）的美國化工工業(yè)的產值和顆粒產品相關,而制備經(jīng)過表面修飾的顆粒的能力將會有十分強的競爭力。納米納米納米納米+核核-殼復合體殼復合體納米納米微米微米+核核-殼復合體殼復合體 不僅大大降低使用納米材料的成本，提高微米材料不僅大大降低使用納米材料的成本，提高微米材料的使用性能及附加值，而且解決了納米粉體使用難的問的使用性能及附加值，而且解決了納米粉體使用難的問題。題。 經(jīng)過顆粒包覆得到核經(jīng)過顆粒包覆得到核- -殼結構材料不僅是粒子工程亟待殼結構材料不僅是粒子工程亟待解決的問題，而且為納米材料的應用開辟了一

3、種新的思路解決的問題，而且為納米材料的應用開辟了一種新的思路和途徑，成為目前材料科學研究熱點之一和途徑，成為目前材料科學研究熱點之一制備核制備核-殼材料的重要性殼材料的重要性 不僅有效避免單一納米粒子的團聚問題，而且還可充不僅有效避免單一納米粒子的團聚問題，而且還可充分發(fā)揮納米粒子的優(yōu)異的性能，提高其使用效果分發(fā)揮納米粒子的優(yōu)異的性能，提高其使用效果 核核-殼結構復合材料的性能殼結構復合材料的性能 增加兩親性增加兩親性 提高耐侯性、抗磨損性提高耐侯性、抗磨損性 降低摩擦、防止腐蝕、提高穩(wěn)定性降低摩擦、防止腐蝕、提高穩(wěn)定性 提高催化劑的穩(wěn)定性和催化活性提高催化劑的穩(wěn)定性和催化活性 賦予材料特殊的

4、光、電、磁學性能賦予材料特殊的光、電、磁學性能德國的德國的Frank Caruso小組小組美國美國Egon Matijevic，YouNan Xia小組，小組，以色列的以色列的A. Gedanken小組，小組，西班牙的西班牙的Luis M.liz-Marzan小組等，小組等，國內的吉林大學、南京大學、復旦大學、國內的吉林大學、南京大學、復旦大學、北京化學所、長春應化所等單位北京化學所、長春應化所等單位1. 國內外制備核國內外制備核-殼材料的主要研究小組殼材料的主要研究小組4.1.2 國內外研究現(xiàn)狀國內外研究現(xiàn)狀2. 核核-殼結構材料的分類殼結構材料的分類: 按包覆類型按包覆類型按粒子成分按粒子

5、成分有機有機-有機包覆有機包覆有機有機-無機包覆無機包覆無機無機-無機包覆無機包覆按組分數(shù)目按組分數(shù)目 單組分包覆單組分包覆多組分包覆多組分包覆 按粒子尺寸按粒子尺寸 微米微米-亞微米包覆、微米亞微米包覆、微米-納米包覆、納米包覆、亞微米亞微米-納米包覆、納米納米包覆、納米-納米包覆納米包覆微米微米-微米包覆微米包覆 4.2 核殼結構納米材料的組裝方法l4.2.1 聚合化學反應法 聚合化學反應法通常是指有機物單體在含有待包液中發(fā)生聚合反應形成高分子 ,同時在粒子表面沉積層的方法。它包括單體吸附聚合、 乳液聚合等方法 單體吸附聚合法通常以具有較高催化活性的核作為包覆粒子 ,例如-Fe2O3、 C

6、eO2、 CuO、 SiO2。單體與被包覆顆粒之間有較強的相互作用 ,可以直接吸附到無機顆粒表面 ,然后再引發(fā)單體聚合完成包覆。利用單體聚合包覆顆粒的關鍵是聚合反應必須發(fā)生在顆粒表面。Mandal 等采用活性自由基聚合反應的方法 ,在硅粒表面形成苯甲基異丁烯酸的高分子聚合物 ,然后將硅核腐蝕去除 ,得到中空的高分子微粒。實驗顯示 ,包覆層的厚度可通過改變核與有機物接觸反應的時間來調節(jié) ,此方法簡便、易行、 且適用面較廣。l乳液聚合法 利用低分子量表面活性劑具有在顆粒表面形成雙層膠束的能力 ,可把單體包容在膠束中引發(fā)聚合。 這種方法可以在有機或無機粒子表面形成很薄的高分子包覆層(210nm) ,

7、尤其對于表面形狀不規(guī)則的粒子 ,它能沿著粒子表面的輪廓保持一定的厚度進行薄層包覆。TEM images of SiO2-PMMA CSNs (A) and SiO2-PS CSNs (B). K. Zhang et al. / Colloids and Surfaces A: Physicochem. Eng. Aspects 277 (2006) 145150l4.2.2 生物大分子包覆 生物大分子作為特殊的功能材料應用于包覆的主要目的是使普通的粒子具有某些蛋白質或生物體的特殊基因和反應功能 ,可以廣泛應用于臨床分析、 免疫檢驗以及各項生物特性的研究。 使生物大分子固定于固體顆粒表面的技術有

8、多種 ,如價鍵吸附、價鍵吸附、 溶膠-凝膠捕獲、 靜電自組裝等等 ,其中最常用的是價健吸附方法。它可實現(xiàn)各類蛋白質和抗體對固體顆粒(如聚苯乙烯、 聚苯胺) 的包覆 ,但是包覆層往往不夠牢固 ,容易從表面脫落 ,還可能伴隨有失活的現(xiàn)象 ,尤其對于較小的生物粒子 ,很難形成穩(wěn)定的包覆層。溶膠-凝膠法可以實現(xiàn)一般包覆方法難以實現(xiàn)的各種復雜形態(tài)的包覆 ,尤其對于一些復雜的生物體系 ,可以在不破壞其結構和功能的前提下通過溶膠-凝膠液的滲透進行包覆。4.2.3 表面沉積與表面化學反應法 在顆粒表面沉積包覆主要是將包覆顆粒和被包覆顆粒分散在水溶液中 ,通過調節(jié) p H 或加熱使包覆材料沉淀或水解后沉積到核材

9、料上形成核/殼結構 ,或者通過特殊的功能團直接在表面反應進行包覆。用這種方法制備無機包覆層的有 SiO2、 堿式碳酸釔、 TiO2、 ZrO2 等。在 TiO2 表面包覆 SiO2 的研究中發(fā)現(xiàn) ,大量顆粒的團聚會隨著 SiO2 的沉積而產生。Ohmori 和 Matijevic優(yōu)化了包覆條件 ,通過 TEOS 在 2-庚醇溶液中的水解將SiO2 包覆到尖晶石型的赤鐵礦(-Fe2O3 )上 ,精確控制 TEOS的水解條件 ,得到均勻的包覆層。 劉威等在采用溶膠-凝膠結合氫氣還原法制備的 Fe/ SiO2 核/殼納米顆粒的基礎上 ,通過乙炔裂解沉積的方法制備了核/殼結構的碳包裹 Fe/ SiO2

10、顆粒 ,如圖 所示。通過表面沉積反應 ,鐵納米顆粒被均勻地包裹在二氧化硅和碳殼層中 ,熱穩(wěn)定性得到進一步改善。4.2.4 無機膠體顆粒在核顆粒表面的可控沉積 無機膠體顆粒在核顆粒表面的可控沉積包覆一般是利用無機納米顆粒和大顆粒表面的靜電相互作用來進行包覆。例如 ,Igor L Radtchenko 等用一種通過溶劑控制的沉積方法在聚苯乙烯( PS)膠粒表面包覆一層 CdTe 納米晶。他們將 CdTe 納米晶用巰基甘氨酸修飾 ,使其表面帶負電荷-COO -,通過靜電作用吸附在表面帶正電荷-N H3 的 PS 膠粒表面 ,形成單層包覆 ,再通過納米晶的凝聚完成包覆。控制凝聚的速率可得到一定厚度的沉

11、積層。無機包覆層的厚度和形態(tài)由反應物的起始濃度、 陳化時間和溫度決定。 PS膠粒表面包覆CdTe Ref. Igor L.Radtchenko, Gleb B. Sukhorukov, Adv. Mater. 2001, 13(22),16844.2.5 超聲化學法 超聲化學法被認為是一種十分有效的制備新材料的技術。超聲波所產生的化學作用來自于超聲波的氣穴效應 ,即液體中微氣泡的形成、 長大和內爆性的崩潰。A. Gedanken 領導的研究小組用超聲化學的方法合成了很多納米包覆的材料,包括氧化鐵納米顆粒包覆在碳球上 ,金納米顆粒沉積在 SiO2 微球上 ,Eu2O3和 Tb2O3 包覆在 Si

12、O2、 Al2O3 和 ZrO2 上 ,過渡金屬Fe、 Co、 Ni 氧化物沉積在 SiO2或 Al2O3 微球上 , Eu2O3 包覆在TiO2 納米球上,SiO2 顆粒表面包覆 ZnS等等。一系列的實驗研究發(fā)現(xiàn) ,由于超聲化學的作用 ,增加了包覆物與被包覆顆粒表面的相互作用 ,有利于形成化學鍵。 SiO2 / AgRef. V. G. Pol, A. Gedanken et al, Langmuir 2002, 18, 3352-3357 SiO2 / AuRef. V. G. Pol, A. Gedanken, and J. Calderon-Moreno,Chem. Mater., 1

13、5( 5), 2003,11114.2.6 納米粒子的自組裝法自組裝法是制備核/殼結構復合納米粒子的有效方法。這種自組裝方法先通過其它方法制備得到納米粒子 ,再以這些納米粒子為模板 ,在其表面進行包覆 ,從而得到核/殼結構復合納米粒子。 Homola 等用預制的硅納米粒子包覆-Fe2O3, 兩種顆粒在一定條件下混合后使它們帶有相反的電荷 ,相互吸引 ,最終得到的磁性粒子具有良好的分散性和抗凝聚性 ,納米硅層起到了保護層的作用。Caruso 等以可分解的球形聚合物為模板 ,先用高分子電解質進行修飾 ,使表層光滑并帶上靜電 ,然后使納米級的金粒與二氧化硅粒子附著于上面 ,再通過多次離心分離、 洗滌

14、 ,去除未被吸附的粒子。此步驟反復操作 ,能實現(xiàn)多層均勻致密的金與二氧化硅納米粒子包覆 ,模板溶解后得到的材料具有特殊的光學性質。 另外 ,氣相沉積法、 化學鍍也經(jīng)常應用于制備核/殼型材料。如 ,Z. J iang等用化學氣相沉積方法制備了包裹 SiOx 的FeCoNi 納米線 ,其有著優(yōu)良的軟磁性能和很好的熱穩(wěn)定性 ,可以用于高密度磁記錄納米器件。陳小華等用化學鍍的方法在碳納米管表面包覆 Ag 涂層。由于碳納米管反應活性低 ,為了得到均勻光滑的鍍層 ,在化學鍍銀前需要進行足夠的表面氧化、 敏化和活化處理 ,并且使反應在盡可能低的速率下進行。4.3 核殼結構納米材料的形成機理（1） 化學鍵作用

15、機理化學鍵作用機理（2） 靜電相互作用機理靜電相互作用機理（3） 吸附層媒介作用機理吸附層媒介作用機理 在用 SiO2 包覆 TiO2 的研究中發(fā)現(xiàn) ,二者是通過形成 Ti2O2Si 鍵結合在一起的。這是由于 SiO2、 TiO2 這類無機氧化物納米顆粒在水中可與水分子發(fā)生水合作用 ,產生羥基 ,如硅溶膠顆粒表面的硅醇基 ,這些基團容易與其它無機顆粒表面的羥基或高分子鏈上所帶的一些官能團(如-COOH、 -OH 等)發(fā)生化學作用 ,使二者形成化學鍵。通過在反應體系中引入偶聯(lián)劑 ,也可使包覆物與被包覆物之間形成化學鍵。如在制備 Au 表面包覆 SiO2 的研究中,由于 Au 納米顆粒在溶液中不能

16、穩(wěn)定存在 ,并且 Au和 SiO2 之間沒有親和性 ,不能直接完成包覆 ,因此先用檸檬酸吸附在 Au 納米顆粒表面防止其團聚 ,然后再加入偶聯(lián)劑氨丙基三甲基硅氧烷以及硅酸鈉 ,就可以通過化學鍵的作用完成 Au納米顆粒表面包覆 SiO2 的過程。（1） 化學鍵作用機理化學鍵作用機理熒光粉Ca0.8Sr0.2S:Eu2+, Tm3+的表面通過化學鍵的作用包覆ZnO, Al2O3的示意圖（2） 靜電相互作用機理靜電相互作用機理這種機理認為 ,包覆劑帶有與基體表面相反的電荷 ,靠庫侖引力使包覆劑顆粒吸附到被包覆顆粒表面。Homola 等研究了 SiO2 包覆-Fe2O3 的機理 ,當 p H 在 36

17、 之間時 , -Fe2O3 和 SiO2 帶有相反的電荷。他們通過混合帶有相反電荷的-Fe2O3和 SiO2 兩種顆粒 ,利用顆粒之間的靜電相互作用 ,在-Fe2O3 表面包覆了一層 SiO2 ,使磁性納米顆粒具有良好的分散性 ,并且防止了團聚的產生。 如:LBL技術主要采用靜電作用機理，根據(jù)相反電荷的物質的相互吸引作用完成包覆 PS顆粒表面通過靜電作用包覆CdTe的示意圖（3） 吸附層媒介作用機理吸附層媒介作用機理將無機顆粒進行表面處理 ,形成一層有機吸附層 ,用經(jīng)過這種處理的顆粒作核 ,通過吸附層的媒介作用 ,可以提高無機顆粒與有機物質的親和性 ,進行有機單體的聚合 ,從而獲得復合膠囊化顆

18、粒。Cui等用檸檬酸對 Y2O3 / Eu進行表面修飾 ,使其表面吸附一層有機層 ,再進行苯乙烯的聚合 ,獲得了聚苯乙烯包覆的 Y2O3 / Eu復合顆粒。CH2CCH2COOHCOOHCOOHOHCH2CCH2COOHCOOHCOOHOHCH2CCH2COOHCOOHCOOHOHCH2CCH2COOHCOOHCOOHOHY2O3:Eu3+Y2O3:Eu3+polystyrenecitric acidY2O3:Eu3+styrenecitric acidstyrenepolymerization聚苯乙烯包覆聚苯乙烯包覆Y Y2 2O O3 3:Eu:Eu3+3+顆粒的機理示意圖顆粒的機理示意圖

19、4.4 核殼結構（中空結構）（中空結構）納米材料的性能及應用4.4.1 光學性質的改變半導體納米晶可應用于生物熒光標記和光電裝置 ,但對其高熒光量子效率和光降解的穩(wěn)定性有很高的要求。近年來 ,已經(jīng)證實比較有效的手段是在半導體納米晶顆粒表面包覆帶隙比內核材料要寬的半導體材料,殼層的修飾作用可極大地提高內核的熒光量子產率 ,并增強穩(wěn)定性 ,而且在一定的光波段帶隙能量可調。如在室溫下, CdS/ Cd (OH) 2 的熒光量子產率達到50 % ,遠大于 CdS自身的熒光量子產率; Geordie 等在 Au 膠粒表面包覆一層 SiO2 形成了核/殼結構復合納米顆粒 ,發(fā)現(xiàn) Au溶膠的吸收光譜的吸收帶

20、發(fā)生了 20nm 的紅移現(xiàn)象 ,并且由于SiO2 的表面包覆 ,使 Au溶膠的顏色發(fā)生了改變。4.4.2 顆粒穩(wěn)定性的提高表面包覆最廣泛的應用是提高被包覆材料的化學穩(wěn)定性 ,由于納米顆粒具有尺寸小、 比表面積大的特點 ,因此性質活潑 ,表面能大 ,顆粒非常容易團聚。有些金屬納米顆粒在空氣中容易被氧化 ,甚至自燃。解決的方法是在納米顆粒表面包覆上一層或多層惰性化合物 ,使其與外界環(huán)境隔離開。磁性納米顆粒如 Fe2O3 廣泛用于磁性液體等 ,但是易團聚 ,易被酸腐蝕 ,表面包覆一層惰性物質后 (如 SiO2 ) 可提高穩(wěn)定性 ,防止酸的腐蝕。另外，通過在鐵納米顆粒表面包覆 SiO2 和Al2O3

21、后 ,極大地提高了鐵納米顆粒在空氣中的穩(wěn)定性,并且隨著包覆量的增加 ,穩(wěn)定性增強 ,如圖 所示 ,粒徑為 3040nm的鐵顆粒經(jīng)包覆后在空氣中能夠穩(wěn)定存在 ,很好地防止了氧化的發(fā)生。 4.4.3 催化劑穩(wěn)定性及催化活性的變化TiO2 廣泛用作白色涂料、 催化劑、 催化劑載體。作為催化劑 ,高表面積的 TiO2 是熱不穩(wěn)定的 ,容易團聚而使表面積變小。提高 TiO2 熱穩(wěn)定性的通常做法是將 TiO2 包覆在高表面積的顆粒上 ,據(jù)報導包覆在 SiO2 表面上的 TiO2 催化劑可以穩(wěn)定到 1058K,并且對 1-丙醇脫氫的反應活性提高了 2 個數(shù)量級。Yuan Gao 等制備了 TiO2 /-Fe2O3 光催化劑 ,該催化劑的活性主要與制備方法、 TiO2 含量、 處理溫度和相成分有關。4.4.4 磁性的變化磁性內核外可以包覆非磁性、 反鐵磁性或鐵磁/亞鐵磁殼層。非磁性包覆層主要用來增加磁性核的穩(wěn)定性或生物醫(yī)藥用途的表面功能化。鐵磁核外包覆反鐵磁可導致交換偏置(磁滯迴線沿外場方向的平移)和熱穩(wěn)定性的提高。對于核和殼都是強磁性(鐵磁或亞鐵磁)材料 ,由于核與殼的密切接觸會導致有效交換耦合 ,使磁性可調。Hao Zeng報導了在 FePt 核外包覆 MFe2O4 (M = Fe ,Co)層 ,層厚可在 0. 53nm之間調整 ,外場作用下磁滯迴線平滑 ,