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CEJ：化學(xué)所邱東課題組在單分散二氧化硅膠體顆粒精準(zhǔn)和宏量制備方面取得重要進展
來源：中國科學(xué)院化學(xué)研究所 2023-01-11
導(dǎo)讀：近日，中國科學(xué)院化學(xué)研究所高分子物理與化學(xué)實驗室邱東課題組發(fā)展了一種類似傳統(tǒng)種子乳液聚合的二氧化硅種子生長策略，通過在水油界面控制前驅(qū)體正硅酸乙酯（TEOS）的水解速率，實現(xiàn)了水解產(chǎn)物以特定四配位形式在種子顆粒表面的完全沉積。
單分散二氧化硅膠體顆粒在理論研究以及先進工業(yè)制造中有著廣泛且不可替代的應(yīng)用。雖然借助傳統(tǒng)的溶膠-凝膠法在實驗室層面上已經(jīng)可以實現(xiàn)不同粒徑單分散二氧化硅膠體顆粒的小批量制備，但是這些實驗室成果向工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)轉(zhuǎn)化時仍面臨著一個亟待解決的問題，即如何精確控制二氧化硅膠體顆粒的尺寸以保證批間可重現(xiàn)性，進而才能實現(xiàn)規(guī)模化制備給定尺寸的單分散二氧化硅膠體顆粒。 在國家自然科學(xué)基金委和中國科學(xué)院的支持下，化學(xué)所高分子物理與化學(xué)實驗室邱東課題組發(fā)展了一種類似傳統(tǒng)種子乳液聚合的二氧化硅種子生長策略，通過在水油界面控制前驅(qū)體正硅酸乙酯（TEOS）的水解速率，實現(xiàn)了水解產(chǎn)物以特定四配位形式在種子顆粒表面的完全沉積。基于此，他們建立了二氧化硅膠體顆粒最終尺寸與前驅(qū)體用量之間的化學(xué)計量關(guān)系，實現(xiàn)了投料與產(chǎn)出物的嚴格可預(yù)測性。該化學(xué)計量式種子生長策略對二氧化硅膠體顆粒的尺寸具備1 nm級別的調(diào)控精度。由于該化學(xué)計量式種子生長過程對反應(yīng)溫度、分散相pH以及攪拌速率等制備條件具有較大的容錯空間，因此最終得到的二氧化硅膠體顆粒表現(xiàn)出優(yōu)異的批間可重現(xiàn)性。此外，該策略對種子顆粒的尺寸分布沒有要求，可以選用商品化的多分布二氧化硅膠體顆粒作為種子，實現(xiàn)特定尺寸單分散膠體顆粒的定制，成本優(yōu)勢顯著。通過種子生長過程中前驅(qū)體化學(xué)組分的調(diào)控，研究人員還基于反應(yīng)動力學(xué)調(diào)控實現(xiàn)了對單分散二氧化硅膠體顆粒表面形貌的精確調(diào)控。得益于反應(yīng)動力學(xué)調(diào)控的化學(xué)計量式種子生長策略賦予的優(yōu)異尺寸調(diào)節(jié)精度以及可靠的批間穩(wěn)定性，研究人員通過少量多批次的方式在實驗室條件下實現(xiàn)了具有特定尺寸以及表面形貌的單分散二氧化硅膠體顆粒公斤級定制。相關(guān)工作近期發(fā)表于Chem. Eng. J. (2023, 456, 141125)，論文第一作者為孟曉輝助理研究員，通訊作者為邱東研究員。
圖. 化學(xué)計量式種子生長策略用于批量定制單分散二氧化硅膠體顆粒
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