一种快速制备硅纳米粒子的方法及硅纳米粒子与流程

本发明涉及硅纳米粒子领域，尤其涉及一种快速制备硅纳米粒子的方法及硅纳米粒子。

背景技术：

硅纳米粒子（sinps）已广泛应用于电子学、光子学、生物传感器和药物发现等领域。sinps应用于不同时领域往往需要不同物理化学性质，如不同的粒径、表面电荷、胶体分散性及表面粗糙度等，而这些性质依赖于sinps的尺寸和形态。使用传统的溶胶-凝胶法得到的sinps具有较宽尺寸分布，而且可以通过调节反应参数来控制sinps的尺寸和形态，另外该方法也非常简单，是合成sinps的首选方法。但是传统的溶胶-凝胶法合成sinps是存在一些局限：1、该方法需要较长的时间（通常需要约20小时）；2、该方法使用氨水作为催化剂是，由于具有挥发性，在成核时往往不稳定，从而导致合成的sinps不太均匀；3、在合成过程中氨水分解释放的氨也可能被吸附到sinps表面，从而干扰下一步的处理。4、sinps的粒度均一性可能受其它多种因素的影响，所以控制粒度大小仍是一个非常复杂的问题。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

技术实现要素：

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种快速制备硅纳米粒子的方法及硅纳米粒子，旨在解决现有技术中无法快速合成粒径均一的硅纳米粒子的问题。

本发明的技术方案如下：

一种快速制备硅纳米粒子的方法，其中，包括步骤：

a、向预先配置好的有机醇溶液中添加碱性化合物，生成混合液；

b、向所述混合液中加入硅酸乙酯，搅拌1-120min后，得到反应后液；

c、对所述反应后液进行固液分离，将分离后的固体进行水洗、干燥处理，即得到硅纳米粒子。

一种快速制备硅纳米粒子的方法，其中，所述有机醇为乙醇或异丙醇。

一种快速制备硅纳米粒子的方法，其中，所述有机醇的水溶液中，有机醇的浓度为50%-100%。

一种快速制备硅纳米粒子的方法，其中，所述碱性化合物为固体碱或碱溶液。

一种快速制备硅纳米粒子的方法，其中，所述碱性化合物为氢氧化钾或氢氧化钠。

一种快速制备硅纳米粒子的方法，其中，所述混合液中碱性化合物浓度为5-200mmol/l。

一种快速制备硅纳米粒子的方法，其中，所述硅酸乙酯的浓度为5-300mmol/l。

一种快速制备硅纳米粒子的方法，其中，所述步骤c中，固液分离的离心速率为6000-8000rmp/min，离心时间为10-15min。

一种快速制备硅纳米粒子的方法，其中，所述步骤b之后还包括步骤：

向反应后液中加入10-15倍反应后液体积的去离子水。

一种硅纳米粒子，其中，采用上述方法制备而成。

有益效果：本发明通过本发明预先配置有机醇溶液，然后向所述有机醇的水溶液中加入作为催化剂的碱，再加入硅酸乙酯，搅拌反应1~120分钟后将固液分离即得到表面光滑且粒径均一的硅纳米粒子，而且通过控制反应时间可控制所制备的硅纳米粒子的粒径大小，解决了现有技术中无法快速合成粒径均一的硅纳米粒子的问题。

附图说明

图1为本发明所述快速制备硅纳米粒子的方法较佳实施例的流程图。

图2为本发明实施例2所制备的硅纳米粒子的红外光谱图。

图3为本发明实施例4中搅拌反应时间为30min时所制备的硅纳米粒子的扫描电镜图。

图4为本发明实施例4中搅拌反应时间为45min时所制备的硅纳米粒子的扫描电镜图。

图5为本发明实施例4中搅拌反应时间为60min时所制备的硅纳米粒子的扫描电镜图。

具体实施方式

本发明提供一种快速制备硅纳米粒子的方法及硅纳米粒子，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

一种快速制备硅纳米粒子的方法，如图1所示，包括步骤：

s1、向预先配置好的有机醇溶液中添加碱性化合物，生成混合液；

s2、向所述混合液中加入硅酸乙酯，搅拌1-120min后，得到反应后液；

s3、对所述反应后液进行固液分离，将分离后的固体进行水洗、干燥处理，即得到硅纳米粒子。

因为碱能够催化硅纳米粒子的合成，而硅纳米粒子的合成前体硅酸乙酯需溶解在有机醇中，因而本发明先配置有机醇的水溶液，然后向其中加入作为催化剂的碱性化合物，形成既能将硅酸乙酯溶解又能将碱溶解以发挥其催化作用的混合液。

本发明中，在加入硅酸乙酯之前加入碱性化合物，利于合成单分散的sinps的；而如果先加入硅酸乙酯再加入碱性化合物，合成的sinps是多分散性的。

较佳地，所述有机醇溶液的体积分数浓度为50%-100%，本发明所述的有机醇溶液中溶剂均为水。

有机醇可以提高硅酸乙酯的溶解度，并显著降低水的高水合潜能，从而能够在更短的时间内达到临界聚集浓度；而若有机醇含量太低，则会因为混溶性差导致硅酸乙酯在水中形成乳液。较佳地，所述有机醇可为相对廉价、易得且环保的乙醇或异丙醇。

较佳地，所述碱性化合物为氢氧化钾或氢氧化钠。在温和的碱性条件下，以钾离子或钠离子作为反离子，二氧化硅前体（硅酸乙酯）可以爆发成核，该条件有利于硅酸乙酯与水解反应形成三维环状聚硅酸链网络，这些三维网络在乙醇-水介质中的达到过饱和后会聚集，从而生产硅纳米颗粒。

较佳地，所述碱性化合物以溶液的形式加入到有机醇的水溶液中（例如以1mol/l的形式加入搭配有机醇的水溶液中），使得作为催化剂的碱能够均匀且快速地在有机醇的水溶液中混合，以形成大量的单分散性的硅纳米粒子，而如果以粉末或固体的形式加入则会形成多分散性的硅纳米粒子。

较佳地，所述混合液中碱性化合物的浓度为5-200mmol/l，碱性化合物的浓度太低催化效果不佳，而且随着碱浓度的加大，凝胶化速度越快，合成的硅纳米粒子尺寸也越大，但是在碱性化合物的浓度达到200mmol/l的浓度以后，反应速度不再增加，因此将混合液中碱性化合物的浓度限制在5-200mmol/l。

较佳地，所述硅酸乙酯的浓度为5-300mmol/l。如果硅酸乙酯浓度高出这一范围，由于硅酸乙酯过量，则反应中剩余的硅酸乙酯都不会转化为二氧化硅纳米颗粒，不但在反应结束时将被浪费，而且过量的硅酸乙酯将导致合成的纳米颗粒粒径过大。

所述步骤s2中，在室温下搅拌反应1~120分钟，本发明中，反应时间对sinps的尺寸控制大大增强，反应时间和sinps尺寸之间存在相关性，反应5-20分钟后形成直径约60nm的小尺寸sinps，随着反应时间增加，合成的sinps粒径将相应增加反应时间越长，合成的sinp越大；但是，由于快速反应动力学，在70min左右时，硅酸乙酯将被耗尽，因此，如果反应持续更长时间，则纳米颗粒的尺寸将不会再进一步增长，或者由于较小颗粒上沉积在大颗粒上而可能增长一些，但是也会引起多分散性。因此，较佳地，所述搅拌反应为5~70分钟。

在反应所需时间后，可以通过向反应后液中加入10-15倍反应液体积的去离子水以停止反应（因为硅酸乙酯可溶于乙醇并且不溶于水，加入大量的水使硅酸乙酯形成乳液，从而不参加反应）。当然，也可以直接进入固液分离步骤，也即通过离心sinp并丢弃反应液来停止反应。

较佳地，所述步骤s3中，以离心的方式对反应后液进行固液分离处理，固液分离的离心速率为6000-8000rmp/min，离心时间为10-15min。离心转速太低，无法充分进行固液分离，而如果离心转速太大则不但对设备要求更严格，而且对硅纳米粒子也会产生一定的影响。

基于上述方法，本发明还提供了一种硅纳米粒子，采用上述制备方法制备而成。

下面结合具体实施例作进一步说明。

实施例1

配置体积分数为50%的异丙醇溶液，并向其中加入1mol/l的氢氧化钠至氢氧化钾浓度为5mmmol/l，生成混合液；向所述混合液中加入硅酸乙酯至硅酸乙酯的浓度为5mmol/l，再室温搅拌反应1分钟，得反应后液；然后在6000rmp/min的速率下离心10分钟，对反应后液进行固液分离处理，用去离子水冲洗分离得到的固体3次，最后干燥，得到硅纳米粒子。

实施例2

配置体积分数为50%的乙醇溶液，并向其中加入1mol/l的氢氧化钾溶液至氢氧化钾浓度为100mmmol/l，生成混合液；向所述混合液中加入硅酸乙酯至硅酸乙酯的浓度为5mmol/l，再室温搅拌反应30min，得反应后液；然后在6000rmp/min的速率下离心10min，对反应后液进行固液分离处理，然后用去离子水冲洗分离得到的固体3次，最后干燥，得到硅纳米粒子，合成的硅纳米粒子表面光滑、粒径均匀；将所述硅纳米粒子进行红外光谱测试，结果如图2所示，出现在1088.26cm-1处的非常强的峰值是si-o-si不对称拉伸振动产生的特征峰，进一步证明了硅纳米粒子的成功合成。

实施例3

配置体积分数为50%的乙醇溶液，并向其中加入1mol/l的氢氧化钾溶液至氢氧化钾浓度为100mmmol/l，生成混合液；向所述混合液中加入硅酸乙酯至硅酸乙酯的浓度为100mmol/l，再室温搅拌反应45min，得反应后液；在6000rmp/min的速率下离心10min，对反应后液进行固液分离处理，然后用去离子水冲洗分离得到的固体4次，最后干燥，得到硅纳米粒子，合成的硅纳米粒子表面光滑、粒径均匀。

实施例4

配置体积分数为75%的乙醇溶液，并向其中加入1mol/l的氢氧化钾溶液至氢氧化钾浓度为100mmmol/l，生成混合液；向所述混合液中加入硅酸乙酯至硅酸乙酯的浓度为300mmol/l，再室温搅拌反应60min，得反应后液；在8000rmp/min的速率下离心15min，对反应后液进行固液分离处理，然后用去离子水冲洗分离得到的固体5次，最后干燥，得到硅纳米粒子，合成的硅纳米粒子表面光滑、粒径均匀。

实施例5

配置体积分数为50%的乙醇溶液，向所述乙醇溶液中加入1mol/l的氢氧化钠至氢氧化钾浓度为90mmmol/l，生成混合液；向所述混合液中加入硅酸乙酯至硅酸乙酯的浓度为90mmol/l，分别在室温搅拌反应30min、45min和60min，得三种反应后液；然后分别在6000rmp/min的速率下离心10min，对反应后液进行固液分离处理，然后用去离子水冲洗分离得到的固体3次，最后干燥，得到三种硅纳米粒子，对所述反应30min、45min和60min后得到的三种硅纳米粒子分别进行电镜扫描试验，扫描结果如图3~5所示，可以看出，合成的硅纳米粒子表面光滑、粒径均匀，而且随着反应时间增加，二氧化硅纳米颗粒的粒径也不断增大。

综上所述，本发明预先配置有机醇溶液，然后向所述有机醇溶液中加入作为催化剂的碱，再加入硅酸乙酯，搅拌反应1~120分钟后将固液分离即得到表面光滑且粒径均一的硅纳米粒子，而且通过控制反应时间可控制所制备的硅纳米粒子的粒径大小，解决了现有技术中无法快速合成粒径均一的硅纳米粒子的问题。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。