本申请要求2016年8月18日提交的美国专利申请号15/240,407的优先权。以上申请的全部公开内容通过引用并入本申请。
本公开涉及用于在固相的存在下合成微粒的技术。
背景技术：
纳米材料在科学和工业中引起了大量关注。由于存在于原子/分子尺度的量子力学效应，纳米材料表现出独特的电子、光学和化学性质。由于这些性质，纳米微粒已经在光电子学(例如发光器件、显示器和太阳能电池)、医学(例如药物递送、诊断和治疗应用)、能量(例如储存和燃料催化剂)以及环境技术(例如水净化)中发现了许多应用。尽管许多科学努力集中在开发新的纳米材料上，但是以可扩展的、廉价的、有效的和环境友好的方式合成和制备这些材料仍然是挑战。
这一部分提供了与本公开相关的背景信息，其不一定是现有技术。
技术实现要素：
本部分提供了对本公开的总体概述，并非其全部范围或其所有特征的全面公开。
一方面，提供了用于在主体结构的存在下合成微粒的方法。该方法包括：将一种或多种前驱体加入液体溶剂；将主体结构加入液体溶剂，其中主体结构为固相的形式；将前驱体吸着在主体结构的表面上；开始涉及所述前驱体的化学反应，从而产生在主体结构中或者在主体结构的表面上形成的微粒，其中在将所述前驱体吸着在主体结构的表面上之后开始化学反应；以及从液体溶剂分离具有联合的微粒的主体结构。可以在将主体结构加入液体溶剂的步骤之前或者之后完成添加一种或多种前驱体的步骤。
可以通过吸收、吸附或者离子交换实现将前驱体吸着在主体结构的表面上。
在一个实施方式中，通过将主体结构分散在反应溶剂中并且将抗衡离子引入反应溶剂中来开始化学反应。
在另一实施方式中，通过将主体结构分散在反应溶剂中并且将还原剂或者催化剂引入反应溶剂中来开始化学反应。
在一些实施方式中，通过过滤反应溶剂从溶剂分离具有联合的微粒的主体结构。还可以洗涤分离的主体结构以从其除去残留的未反应的种类。
储存后，可以按需从主体结构释放微粒。例如，可以将主体结构分散到第二溶剂中并进行超声处理。然后释放的微粒可以通过离心从主体结构分离出来并从第二溶剂除去。
根据本文提供的描述，其他适用的领域将变得显而易见。本发明内容中的描述和具体例子仅用于说明的目的，并不旨在限制本公开的范围。
附图说明
本文描述的附图仅用于说明所选实施方式而不是所有可能的实施方式，并且不旨在限制本公开的范围。
图1a是描写在固相的存在下合成纳米微粒的方法的流程图；
图1b是描写从主体结构释放纳米微粒的方法的流程图；
图2a是描写吸附在主体结构上的前驱体离子的实例的图；
图2b是描写在主体结构上或者在其中形成的微粒的实例的图；
图3a是描写用于合成纳米微粒的第一示例性实施方式的流程图；
图3b是描写用于释放纳米微粒的第一示例性实施方式的流程图；
图4a是描写用于合成纳米微粒的第二示例性实施方式的流程图；
图4b是描写用于释放纳米微粒的第二示例性实施方式的流程图；
图5a是描写用于合成纳米微粒的第三示例性实施方式的流程图；
图5b是描写用于释放纳米微粒的第三示例性实施方式的流程图；
图6a是描写用于合成纳米微粒的第四示例性实施方式的流程图；以及
图6b是描写用于释放纳米微粒的第四示例性实施方式的流程图。
遍及附图的若干视图，相应的附图标记表示相应的部分。
实施方式详述
现在将参考附图更充分地描述示例性实施方式。
图1a提供了用于在主体结构上或在其中合成微粒的方法的概述。合成的微粒的特征尺寸(直径)小于100微米，优选在100微米至0.1纳米的范围内。合成的微粒可以包括但不限于金属微粒(例如，au、ag、ni和其他金属)、金属合金微粒(例如，au-ag和其他合金)、金属氧化物微粒(例如，zno和其他氧化物)、半导体微粒(例如，具有mn作为掺杂剂的zns，以及其他半导体，其范围从如si、ge的元素半导体到iib-vi族如cds、iii-v族如gaas、iv-vi族如pbs与痕量掺杂剂(其选自过渡金属，如cu或稀土金属如sm)的组合)、磁性微粒(例如，fe2o3、ni可以延伸到其他超顺磁性材料)、核壳纳米微粒和碳基微粒(例如，乳胶可以扩展到聚合物和小分子碳基材料)。
将前驱体在11处加入第一溶剂中。在一个实例中，将前驱体溶解在液体溶剂(即第一溶剂)中。在下述的示例性实施方式中，前驱体通常选自可溶于第一溶剂的盐，其含有目标阳离子或阴离子。含有金属源的前驱体可以选自目标金属阳离子的氯化物、乙酸盐或硝酸盐；然而，阴离子可选自氟化物、氯化物、溴化物、碘化物、氯酸盐、高氯酸盐、溴酸盐、硫酸盐、硝酸盐、亚硝酸盐、六氟磷酸盐、四氟硼酸盐、三氟甲磺酸盐、乙酸盐等。含有示例性实施方式中使用的阴离子源的前驱体选自碱金属盐(li、na、k、rb、cs)、硫脲、硫代酰胺和连二亚硫酸盐。本公开还预期了其他类型的前驱体。
水和乙醇是示例性溶剂。应理解，第一溶剂可选自极性质子溶剂(例如，水、醇、二甲氧基乙烷、胺、硝基甲烷、酸类-甲酸、乙酸)或极性非质子溶剂(例如dmso、环丁砜、dmf、nmp、乙腈、丁腈、丙酮、乙酸乙酯、四氢呋喃、碳酸丙烯酯、极性卤化的溶剂如二氯甲烷)。其他类型的溶剂也预期在本公开的范围内。
在主体结构(例如，固相基质)的存在下合成微粒。为此，将主体结构在12处加入含有前驱体的溶剂中。尽管可以使用无孔材料，但主体结构优选是孔尺寸为100微米至1埃的多孔材料。主体结构也可以以粒料、粉末、涂层、膜和天然或合成纤维的形式。示例性主体结构包括但不限于分子筛(例如，沸石13x)、硅胶、多孔氧化铝、沸石、交联葡聚糖、气凝胶、干凝胶、金属-有机骨架和离子交换介质(阳离子的、阴离子的和两性的)。
然后将前驱体在13处与主体结构联合。更具体地，吸着(即，吸收、吸附或离子交换)用于将前驱体与主体结构联合。在一个实例中，如图2a中所见，通过基质上的前驱体的物理吸附将前驱体21与固相基质22联合。前驱体可以被吸附，例如，使用旋转蒸发器来干燥含有前驱体的溶液。在另一个实例中，通过使作为主体结构的水凝胶溶胀来将前驱体与固相基质联合。可以使用其他方法将前驱体与基质联合，这些方法包括但不限于共价键合、离子键合、极性共价键合、氢键合、静电力、电双层力和范德华力。
接下来，在14处开始涉及前驱体的化学反应，从而产生在主体结构中或主体结构的表面上形成的微粒。为此，首先将用前驱体浸渍的固相再分散在反应溶剂中。反应溶剂可以与原始第一溶剂相同或者是其中反应物可溶的替代溶剂。水和乙醇也是示例性反应溶剂。反应溶剂也可选自极性质子溶剂(例如，水、醇、二甲氧基乙烷、胺、硝基甲烷、酸类-甲酸、乙酸)或极性非质子溶剂(例如，dmso、环丁砜、dmf、nmp、乙腈、丁腈、丙酮、乙酸乙酯、四氢呋喃、碳酸丙烯酯、极性卤化的溶剂如二氯甲烷)。其他类型的反应溶剂也预期在本公开的范围内。
如图2b中可见，微粒23在固相22的存在下成核并生长。在一个实例中，化学反应通过加热触发。或者或另外地，通过向反应容器中添加含有化学试剂(例如，还原剂、催化剂等)的溶液来触发化学反应。微粒的成核也可以通过冷却、施加压力变化、存在氧化剂或还原剂、光化学刺激、暴露于微波辐射、电能、机械能如超声、搅拌和剪切来触发。
一旦反应结束并在固相上形成微粒，则除去过量的反应物。也就是说，在15处将具有联合的微粒的主体结构与反应物和/或溶剂分离。在一个实例中，使用第一溶剂洗涤固相，并通过离心洗涤混合物和/或过滤除去固相。压力、真空、离心或重力辅助的过滤、研磨、溶剂萃取、透析或离心以及去除上清液也可用于分离携带原位形成的微粒的固相基质。
如16处所示，可以通过将含有微粒的固体基质储存在密封容器中来进行合成的微粒的长期保存。例如，携带微粒的固体基质可被浸入惰性液体中，如烷烃、油、卤代溶剂。或者，含有微粒的固体基质可以例如使用空气、惰性气体、二氧化碳或氮气干燥，然后储存在容器中。在一些实施方式中，容器可以是真空密封的。还设想容器可被配置成使内容物暴露于光、氧和/或湿气最小化。微粒可以根据需要简单地通过将固体基质分散在所选择的第二溶剂中而被释放，并且含有微粒的悬浮液通过下述的释放和过滤方法来重构。
取决于应用，微粒可以保持与固相结合直至使用时。可以使用不同的技术从主体结构释放微粒。例如，如关于图1b所述的，可以将微粒从固体基质释放到所需的溶剂中。如17所示，首先将固体基质加入或置于第二溶剂中。应理解，第二溶剂可以与第一溶剂相同或者是所选择的另一种溶剂。第二溶剂可选自极性质子溶剂(水、醇、二甲氧基乙烷、胺、硝基甲烷、酸类-甲酸、乙酸)、极性非质子溶剂(dmso、环丁砜、dmf、nmp、乙腈、丁腈、丙酮、乙酸乙酯、四氢呋喃、碳酸丙烯酯、极性卤化的溶剂如二氯甲烷)。在下面描述的示例性实施方式中使用水和乙醇。
然后在18处将微粒从主体结构释放到第二溶剂中，例如通过超声处理。或者，可以通过加热、冷却、超声处理、用还原剂或氧化剂处理、水解、酸或碱处理、离子交换、通过光裂解接头、酶促裂解、催化裂解、将基质溶解在蚀刻溶剂中、使基质溶胀以使微粒逸出扩大的孔或者使用基于静电的释放机制来从主体结构释放微粒。
然后在19处从主体结构分离释放的微粒，例如使用离心。本公开还预期了用于从主体结构分离微粒的其他技术。最后，在20处将微粒收集在容器中。在一个实例中，将上清液倒入单独的瓶中。
为了证明所提出的方法在固体存在下合成小微粒的广泛适用性，下面进一步描述了四个实施例。
在第一个示例性实施方式中，如关于图3a所述的，在分子筛的存在下合成了具有锰作为掺杂剂的硫化锌(zns)。以分子筛13x作为固相并且使用水作为第一和第二溶剂进行合成。在31处，通过将6.03g[zn(oac)2.2h2o]溶解在25ml蒸馏水中制备了锌前驱体的1m水溶液。在32处，通过将245mgmn(oac)2溶解在10ml蒸馏水中制备了锰前驱体的0.1m溶液。通过将6gna2s.7h2o溶解在25ml蒸馏水中制备了na2s的1m水溶液。接下来，在33处将8g分子筛13x加入到含有80ml蒸馏水的250ml烧瓶中，并快速搅拌混合物。如34所示，将16ml1m醋酸锌溶液和1.6ml0.1m醋酸锰溶液混合在一起并加入混合烧瓶中。然后将混合物在室温搅拌60分钟。金属前驱体的混合物产生了以摩尔计1％的mn(ii)掺杂剂。使用旋转蒸发器，将前驱体溶液在68℃干燥，以在35处将金属盐吸附到分子筛的孔中。然后在36处将干燥的固体转移到另一个反应烧瓶中，并将80ml蒸馏水加入反应烧瓶。在37处，随着氮气下的快速搅拌，将16ml1m硫化钠溶液逐滴加入反应容器中。混合物变成略带粉红色。在38处将混合物在氮气下在室温连续搅拌45分钟，然后在90℃再搅拌60分钟。然后将混合物逐渐冷却至室温。在39处通过离心从反应混合物提取含有微粒的分子筛(即，固体基质)并倾析上清液。还可以进行几个洗涤步骤。示例性洗涤步骤可包括：将固体分散在新的纯溶剂中、摇动混合物、以4000rpm离心10分钟、然后倾析并弃去上层洗涤液。
参考图3b，随后从分子筛释放纳米微粒。更具体地，在41处将具有微粒的固体基质分散在新溶剂中并在42处在超声浴中进行超声处理。如43处所示，将混合物以4000rpm离心10分钟，并且将含有释放的微粒的混浊上层悬浮液收集在单独的管中。为了分离更细的微粒(纳米尺寸的)，将混浊的悬浮液以14,000rpm进一步离心10分钟。在44处将含有纳米微粒的后来的透明上清液收集在另一个单独的瓶中。通过电子显微镜(tem)确认透明上清液中存在纳米微粒并且使用uv-vis光谱确定它们的吸收光谱。当暴露于365nmuv光时，从纳米微粒悬浮液观察到了明亮的橙色荧光。
在第二个示例性实施方式中，如关于图4a所述合成金属微粒。在用作固相的二氧化硅微粒的存在下进行合成。水被用作第一和第二溶剂。在100ml圆底烧瓶中，在51处将1g硅胶(230-400目，46-63μm)分散在20ml蒸馏水中。在52处快速搅拌混合物。在搅拌时，在53处将4ml0.01mhaucl4溶液加入烧瓶。为了获得理想的结果，将混合物搅拌过夜。如在54处所示，将悬浮液在50℃旋转蒸发，使金属前驱体完全吸附在硅胶上。然后在55处将干燥固体分散在20ml新鲜蒸馏水中。在n2气吹扫下搅拌的同时，在56处向反应混合物逐滴加入1ml硼氢化钠溶液。在57处将混合物再搅拌30分钟。在58处可将反应混合物抽滤通过滤纸，以分离含有金微粒的硅胶。还可以进行几个洗涤步骤。示例性洗涤步骤可包括：将固体基质分散在新溶剂中、摇匀、以4000rpm离心10分钟并且倒出和丢弃残留在固体顶上的洗涤液。
参见图4b，随后从硅胶释放纳米微粒。为了释放纳米微粒，如61处所示，将硅胶分散在13ml蒸馏水中、涡流混合并摇匀以形成浆液。在62处将浆液在超声浴中超声处理10分钟，然后在63处离心以收集底部的固体基质。滗析含有金微粒的上清液。为了获得更细的微粒(纳米尺寸的)，对载有微粒的液体以14,000rpm进行10分钟的后续高速离心，并在64处将上清液滗析成单独的瓶。使用电子显微镜和uv-vis光谱确认上清液中存在金纳米微粒。
在第三个示例性实施方式中，如关于图5a所述合成了氧化锌微粒。在用作固相的分子筛13x的存在下进行合成。异丙醇和水分别用作第一和第二溶剂。首先，在71处将2g分子筛13x加入含有25ml异丙醇(即第一溶剂)的烧瓶中。在快速搅拌的同时，在72处将4mmol(736mg)zn(oac)2(即前驱体)加入烧瓶中，并将混合物加热至80℃保持1小时。在73处将混合物旋转蒸发至干燥。在74处将剩余的干燥固体分散在含有25ml新的异丙醇的反应烧瓶中，同时在80℃快速搅拌。在75处将三乙胺以过量摩尔比(至少40mmol)加入反应烧瓶，将混合物连续搅拌并在80℃加热3小时，如76处所示。在77处将混合物冷却并通过过滤提取固体，弃去过量的溶剂。用新的异丙醇然后用蒸馏水洗涤固体。然后在78处将固体基质在110℃加热过夜，以将在基质中形成的氢氧化锌转化为氧化锌。通过x射线衍射(xrd)确认zno微粒的形成。
参考图5b，随后从分子筛中释放氧化锌微粒。为了释放纳米微粒，在81处将固体分散在13ml蒸馏水中(第二溶剂)并在82处在超声浴中进行超声处理。如83处所示，然后将混合物以4000rpm离心10分钟，以分离固体基质与含有释放的微粒的混浊上清液。为了分离更细的微粒(纳米尺寸的)，将先前收集的混浊悬浮液以14,000rpm离心10分钟，并在84处将含有纳米微粒的澄清上清液滗析成单独的瓶。通过电子显微镜(tem)确认透明上清液中纳米微粒的存在。
在第四个示例性实施方式中，如关于图6a所述合成了磁性微粒。在用作固相的分子筛13x中进行合成。水用作第一和第二溶剂。在91处将2g分子筛13x加入含有25ml蒸馏水的烧瓶中。然后在92处将1毫摩尔fecl2和2毫摩尔fecl3(最佳fe2+/fe3+摩尔比率在0.4-0.6的范围内)加入烧瓶。在93处将混合物搅拌45分钟。在94处将混合物旋转蒸发至干燥，以将前驱体吸附在固体基质上。在95处将干燥固体分散在25ml蒸馏水中。接下来，在96处在30分钟内逐滴加入含有16毫摩尔氢氧化铵的溶液，同时在n2气氛下快速搅拌反应容器。然后将反应容器在n2气吹扫下加热至90℃保持1小时，同时搅拌，如97处所示。将反应混合物冷却至室温，通过抽滤除去含有微粒的固体基质，并用蒸馏水洗涤。
参见图6b，随后从分子筛中释放纳米微粒。将含有微粒的固体分散在13ml蒸馏水中、涡流混合并摇匀以在101处形成浆液。将浆液在102处在超声浴中超声处理10分钟，然后以4000rpm离心10分钟，以将固体基质与含有释放的磁性微粒的混浊悬浮液分离，如103处所示。为了分离更细的微粒(纳米尺寸的)，将混浊的悬浮液以14,000rpm离心10分钟，并在104处将含有纳米微粒的澄清上清液滗析进入单独的瓶。
这里使用的术语仅用于描述特定的示例性实施方式，而不是限制性的。如这里所使用的，单数形式“一(a)”、“一个(an)”和“该(the)”也可以意在包括复数形式，除非上下文另有明确说明。术语“包括(comprises)”、“包含(comprising)”、“包括(including)”和“具有”是包含性的，因此指定存在所声明的特征、整数、步骤、操作、要素和/或部件，但不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、要素、部件和/或其组合。除非特别认定为执行顺序，否则这里描述的方法步骤、过程和操作不应被解释为必须要求它们以所讨论或说明的特定顺序执行。还应理解，可以采用额外的或替代的步骤。
当元件或层被称为“在另一个元件或层之上”、“接合”、“连接到”或“耦合到”另一个元件或层时，它可以直接在另一个元件或层上、接合、连接或耦合到另一个元件或层，或者可以存在介于中间的元件或层。相反，当元件被称为“直接在另一个元件或层上”、“直接接合到”、“直接连接到”或“直接耦合到”另一元件或层时，可以不存在介于中间的元件或层。用于描述元件之间关系的其他词语应以类似的方式被解释(例如，“在......之间”与“直接在...之间”、“相邻”与“直接相邻”等)。如这里所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关所列项目的任何和所有组合。
尽管这里可以使用术语第一、第二、第三等来描述各种元件、组件、区域、层和/或部分，但是这些元件、组件、区域、层和/或部分不应受这些术语的限制。这些术语仅可用于将一个元件、组件、区域、层或部分与另一个区域、层或部分区分开。除非上下文明确指出，否则诸如“第一”、“第二”的术语和其他数字术语在本文中使用时不暗示序列或顺序。因此，在不脱离示例性实施方式的教导的情况下，下面讨论的第一元件、部件、区域、层或部分可以被称为第二元件、部件、区域、层或部分。
在本文可以使用空间相对术语，例如“内部”、“外部”、“下方”、“以下”、“下面”、“上方”、“上面”等，以便于描述一个元件或特征与另一个或多个元件或特征的关系，如图所示。除了图中所示的取向之外，空间相对术语可以旨在涵盖使用或操作中的设备的不同取向。例如，如果图中的设备被翻转，则被描述为在其他元件或特征“下面”或“下方”的元件将被定向在其他元件或特征“上方”。因此，示例性术语“下面”可以包括上方和下方的取向。装置可以以其他方式取向(旋转90度或在其他方向)，并且相应地解释本文所使用的空间相对描述符。
已经出于说明和描述的目的已经提供了实施方式的前述描述。其并非旨在穷举或限制本公开。特定实施方式的各个元件或特征通常不限于该特定实施方式，而是在适用的情况下是可互换的并且可以在所选的实施方式中使用，即使没有具体示出或描述。同样也可以以多种方式变化。不应将这些变化视为脱离本公开，并且所有这些修改旨在包括在本公开的范围内。