本发明属于纳米材料及其制备领域，尤其是涉及一种一维纳米二氧化硅的制备方法。
背景技术：
一维纳米材料是未来纳米电子器件和光电子器件的重要组成组件，在学术研究和实际应用中都具有很好的前景。二氧化硅纳米棒和二氧化硅纳米线是一维纳米材料中较为重要的一类材料。目前，制备一维纳米二氧化硅的方法主要有：水热法、溶胶凝胶技术结合去模板法和高温化学气相沉积法等。在这些方法中，二氧化硅纳米棒和二氧化硅纳米线的制备一般都是在大气压或低真空、大于1000℃的生长温度条件下进行，或者需要繁琐的制备模板、去模板和特殊工艺干燥等过程。这种条件下的生长环境限制了二氧化硅纳米棒和纳米管的质量和性能的改进，而且对于生长机制的研究带来许多困难；同时，这种生长方法受到仪器和环境的限制，无法广泛的推广使用。
技术实现要素：
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种制备条件温和、制备过程简单的、产物尺寸方便调节的一维纳米二氧化硅的制备方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种一维纳米二氧化硅的制备方法，包括以下步骤：
二氧化硅纳米棒合成原料的制备：将硅源和氨水分别盛放在两个容器中备用；
一维纳米二氧化硅生长衬底的准备：准备载玻片为生长衬底，清洗、干燥后备用；
一维纳米二氧化硅的化学气相沉积法生长：将盛放硅源和氨水的容器和干燥后的载玻片置于真空干燥器中，密封并抽真空，将真空干燥器置于恒温箱中，恒温保存；将真空干燥器从恒温箱中取出，冷却至室温，将载玻片从真空干燥器中取出，载玻片表面的薄膜即为一维纳米二氧化硅。
所述硅源为甲基-三甲氧基硅烷；其纯度可以选择为98％。
所述氨水的质量浓度为25-28％。
所述真空干燥器在恒温箱中恒温保存的温度为25～102℃，优选为100℃。
所述真空干燥器在恒温箱中恒温保存的保存时间为1～24小时，优选为6小时。
所述盛放硅源和氨水的容器置于真空干燥器的底部，干燥后的载玻片置于真空干燥器的瓷板上。
所述一维纳米二氧化硅的化学气相沉积法生长过程中，真空干燥器的真空度为-0.05～-0.10mpa。
所述清洗、干燥方法具体为将载玻片置于乙醇中，超声清洗，然后用氮气吹干。
通过真空干燥器在恒温箱中的保存时间调节制备得到的一维纳米二氧化硅的长度。
采用上述的制备方法制备得到的一种一维纳米二氧化硅，该一维纳米二氧化硅由直径为46～53nm的非晶态二氧化硅组成，并且该一维纳米二氧化硅具有疏水性。
本发明采用极为简单玻璃真空干燥器为反应设备，以廉价的甲基-三甲氧基硅烷和氨水分别作为硅源和催化剂，在没有严格的真空度的要求下，以较为温和的100℃环境为反应温度，制备出了大面积的一维纳米二氧化硅，。
为了成功合成二氧化硅纳米棒，需要控制化学气相沉积的速度，具体为合适的原材料以及合适的反应温度，因此本发明优化了制备过程工艺参数，尤其是硅源和催化剂的选用，优选为甲基-三甲氧基硅烷硅源和氨水作为催化剂，这是因为，甲基-三甲氧基硅烷含有一个疏水性的甲基和三个可水解的甲氧基。适量的甲基可以为获得的材料提供疏水性，而可水解的甲基在氨水的催化下，能够水解为硅羟基，进而进行脱水缩合反应，形成硅氧硅的网络结构；同时，甲基-三甲氧基硅烷的蒸汽无毒，不会对人气造成伤害。以氨水为催化剂主要考虑到其安全性和易挥发性：氨水的碱性较弱，不会损坏仪器和基板，氨水易挥发的特点有助于其以气态的存在形式催化甲基-三甲氧基硅烷的水解和缩聚。采用其他的硅源，例如正硅酸四乙酯、三甲基氯硅烷、乙氧基三甲基硅烷等，存在一些缺点。例如反应产物无疏水性、反应物蒸汽有毒、有易燃性、有刺激性气味等。
同时反应温度也非常重要，本发明的反应温度为100℃，如果反应温度过高，则反应物甲基-三甲氧基硅烷会发生沸腾现象，导致液体飞溅到基底表面，破坏样品的微观形貌；如果反应温度过低，则会导致甲基-三甲氧基硅烷的水解产物在移动到基底表面之前，已经在空间中凝结成固体，无法在基底上生成二氧化硅。本发明中的反应温度既能避免甲基-三甲氧基硅烷发生沸腾现象，又能以最快的速度使二氧化硅纳米液滴沉积到基底表面。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)原料廉价、制备条件温和，制备过程容易实现：本发明利用简单的设备和廉价的材料，在100℃的反应温度下成功的制备出了大面积的一维纳米二氧化硅；
(2)本发明提出了一种新的化学气相沉积技术，提供了一种在没有严格真空度要求的前提下，在较低温度下大规模制备一维二氧化硅的新方法，利用这种方法可能得到更多种类、性能独特的一维纳米材料，合成效率高，适用范围广；
(3)一维二氧化硅的尺寸容易控制，通过改变化学气相沉积的时间，可以严格控制一维纳米氧化硅的生长长度，使其从较短的二氧化硅纳米棒生长为较长的二氧化硅纳米线；
(4)本发明得到的具有疏水性的一维纳米二氧化硅在自清洁领域具有应用前景。
附图说明
图1为本发明制备过程采用装置的结构示意图；
图2为实施例1中一维纳米二氧化硅的照片；
图3为实施例1中一维纳米二氧化硅的扫描电子显微镜照片；
图4为实施例2中一维纳米二氧化硅的实物图；
图5为实施例2中一维纳米二氧化硅的扫描电子显微镜照片；
图6为实施例2中一维纳米二氧化硅的疏水角照片；
图中，1为甲基-三甲氧基硅烷，2为氨水，3为载玻片，4为玻璃真空干燥器，5为瓷板。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
以下实施例中各原料均为市售原料，无特殊说明纯度均为分析纯等级。
实施例1
一种一维纳米二氧化硅的制备方法，步骤如下：
(1)发生化学气相沉积的硅源和催化剂的准备：用纯度为98％的甲基-三甲氧基硅烷为硅源，用浓度为25％的氨水为催化剂，按照体积比为1:1分别盛放在两个小烧杯中备用。
(2)一维纳米二氧化硅生长衬底的准备：用普通的载玻片为生长衬底，先用乙醇超声清洗干净，然后用纯度为99.9％的氮气吹干备用。
(3)一维纳米二氧化硅的化学气相沉积法生长：如图1所示，将盛放了甲基-三甲氧基硅烷1和氨水2的小烧杯置于玻璃真空干燥器4底部，将清洗干净的载玻片3放置于玻璃真空干燥器4的瓷板5上表面，将玻璃真空干燥器4密封并去抽真空，真空度为-0.10mpa，然后将玻璃真空干燥器放置于温度为100℃的恒温箱中保存6h。
(4)将玻璃真空干燥器从恒温箱中取出，冷却到室温后，将载玻片从玻璃真空干燥器中取出，载玻片表面的薄膜即为二氧化硅纳米棒。
本实施例中采用的装置如图1所示，置为简单易获得的玻璃真空干燥器，没有进行改造和升级，因此本实施例的制备方法对于制备设备要求较低，容易进行工业化生产。
如图2所示，实施例1获得的二氧化硅纳米棒在肉眼下无法观测到；因此载玻片上生长的二氧化硅纳米棒并没有影响载玻片原有的透明度。
如图3所示，实施例1获得的二氧化硅纳米棒为直径为46～53nm、长度为46-239nm的纳米棒状结构。
实施例2
一种一维纳米二氧化硅的制备方法，步骤如下：
(1)发生化学气相沉积的硅源和催化剂的准备：用纯度为98％的甲基-三甲氧基硅烷为硅源，用浓度为28％的氨水为催化剂，按照体积比为1:1分别盛放在两个小烧杯中备用。
(2)一维纳米二氧化硅生长衬底的准备：用普通的载玻片为生长衬底，先用乙醇超声清洗干净，然后用纯度为99.9％的氮气吹干备用。
(3)一维纳米二氧化硅的化学气相沉积法生长：将盛放了硅源和催化剂的小烧杯置于玻璃真空干燥器底部，将清洗干净的载玻片放置于玻璃真空干燥器的瓷板上表面，将玻璃真空干燥器密封并去抽真空，真空度为-0.1mpa，然后将玻璃真空干燥器放置于温度为100℃的恒温箱中保存12h。
(4)将玻璃真空干燥器从恒温箱中取出，冷却到室温后，将载玻片从玻璃真空干燥器中取出，载玻片表面的薄膜即为二氧化硅纳米线。
如图4所示，实施例2获得的二氧化硅纳米线在肉眼下无法观测到；因此载玻片上生长的二氧化硅纳米棒并没有影响载玻片原有的透明度。
如图5所示，实施例2获得的二氧化硅纳米线为直径为46～53nm、长度为大于500nm的纳米线状结构。
如图6所示，实施例2获得的二氧化硅纳米线具有较好的疏水性。
实施例3
一种一维纳米二氧化硅的制备方法，步骤如下：
(1)发生化学气相沉积的硅源和催化剂的准备：用纯度为98％的甲基-三甲氧基硅烷为硅源，用浓度为25％的氨水为催化剂，按照体积比为1:1分别盛放在两个小烧杯中备用。
(2)一维纳米二氧化硅生长衬底的准备：用普通的载玻片为生长衬底，先用乙醇超声清洗干净，然后用纯度为99.9％的氮气吹干备用。
(3)一维纳米二氧化硅的化学气相沉积法生长：如图1所示，将盛放了甲基-三甲氧基硅烷1和氨水2的小烧杯置于玻璃真空干燥器4底部，将清洗干净的载玻片3放置于玻璃真空干燥器4的瓷板5上表面，将玻璃真空干燥器4密封并去抽真空，真空度为-0.05mpa，然后将玻璃真空干燥器放置于温度为25℃的恒温箱中保存24h。
(4)将玻璃真空干燥器从恒温箱中取出，冷却到室温后，将载玻片从玻璃真空干燥器中取出，载玻片表面的薄膜即为二氧化硅纳米棒，获得的二氧化硅纳米线为直径为46～53nm、长度为72nm的纳米棒状结构。
实施例4
一种一维纳米二氧化硅的制备方法，步骤如下：
(1)发生化学气相沉积的硅源和催化剂的准备：用纯度为98％的甲基-三甲氧基硅烷为硅源，用浓度为25％的氨水为催化剂，按照体积比为1:1分别盛放在两个小烧杯中备用。
(2)一维纳米二氧化硅生长衬底的准备：用普通的载玻片为生长衬底，先用乙醇超声清洗干净，然后用纯度为99.9％的氮气吹干备用。
(3)一维纳米二氧化硅的化学气相沉积法生长：如图1所示，将盛放了甲基-三甲氧基硅烷1和氨水2的小烧杯置于玻璃真空干燥器4底部，将清洗干净的载玻片3放置于玻璃真空干燥器4的瓷板5上表面，将玻璃真空干燥器4密封并去抽真空，真空度为-0.05mpa，然后将玻璃真空干燥器放置于温度为102℃的恒温箱中保存1h。
(4)将玻璃真空干燥器从恒温箱中取出，冷却到室温后，将载玻片从玻璃真空干燥器中取出，载玻片表面的薄膜即为二氧化硅纳米棒，获得的二氧化硅纳米线为直径为46～53nm、长度为80nm的纳米棒状结构。
本实施例本发明利用简单的设备和廉价的材料，在100℃的反应温度下成功的制备出了大面积的一维纳米二氧化硅。本发明提出了一种新的化学气相沉积技术，提供了一种在没有严格真空度要求的前提下，在较低温度下大规模制备一维二氧化硅的新方法，利用这种方法可能得到更多种类、性能独特的一维纳米材料，为一维纳米材料的研究提供了新的思路，并对研究一维纳米材料的生长机制具有重要意义。制备得到的具有疏水性的一维纳米二氧化硅在自清洁领域具有应用前景。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
技术特征：
1.一种一维纳米二氧化硅的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
二氧化硅纳米棒合成原料的制备：将硅源和氨水分别盛放在两个容器中备用；
一维纳米二氧化硅生长衬底的准备：准备载玻片为生长衬底，清洗、干燥后备用；
一维纳米二氧化硅的化学气相沉积法生长：将盛放硅源和氨水的容器和干燥后的载玻片置于真空干燥器中，密封并抽真空，将真空干燥器置于恒温箱中，恒温保存；将真空干燥器从恒温箱中取出，冷却至室温，将载玻片从真空干燥器中取出，载玻片表面的薄膜即为一维纳米二氧化硅。
2.根据权利要求1所述的一种一维纳米二氧化硅的制备方法，其特征在于，所述硅源为甲基-三甲氧基硅烷。
3.根据权利要求1所述的一种一维纳米二氧化硅的制备方法，其特征在于，所述氨水的质量浓度为25-28％。
4.根据权利要求1所述的一种一维纳米二氧化硅的制备方法，其特征在于，所述真空干燥器在恒温箱中恒温保存的温度为25～102℃，优选为100℃。
5.根据权利要求1所述的一种一维纳米二氧化硅的制备方法，其特征在于，所述真空干燥器在恒温箱中恒温保存的保存时间为1～24小时。
6.根据权利要求1所述的一种一维纳米二氧化硅的制备方法，其特征在于，所述盛放硅源和氨水的容器置于真空干燥器的底部，干燥后的载玻片置于真空干燥器的瓷板上。
7.根据权利要求1所述的一种一维纳米二氧化硅的制备方法，其特征在于，所述一维纳米二氧化硅的化学气相沉积法生长过程中，真空干燥器的真空度为-0.05～-0.10mpa。
8.根据权利要求1所述的一种一维纳米二氧化硅的制备方法，其特征在于，所述清洗、干燥方法具体为将载玻片置于乙醇中，超声清洗，然后用氮气吹干。
9.根据权利要求1所述的一种一维纳米二氧化硅的制备方法，其特征在于，通过真空干燥器在恒温箱中的保存时间调节制备得到的一维纳米二氧化硅的长度。
10.一种采用如权利要求1所述的制备方法制备得到的一维纳米二氧化硅，其特征在于，由直径为46～53nm的非晶态二氧化硅组成，并且该一维纳米二氧化硅具有疏水性。
技术总结
本发明涉及一种一维纳米二氧化硅的制备方法，包括以下步骤：将硅源和氨水分别盛放在两个容器中备用；准备载玻片为生长衬底，清洗、干燥后备用；将盛放硅源和氨水的容器和干燥后的载玻片置于真空干燥器中，密封并抽真空，将真空干燥器置于恒温箱中，恒温保存；将真空干燥器从恒温箱中取出，冷却至室温，将载玻片从真空干燥器中取出，载玻片表面的薄膜即为一维纳米二氧化硅；制备得到的一维纳米二氧化硅由直径为46～53nm的非晶态二氧化硅组成，并且该一维纳米二氧化硅具有疏水性。与现有技术相比，本发明具有制备方法简单、对设备要求低、合成效率高等优点。
技术研发人员：杜艾;汪宏强;张晨;马怡;周斌
受保护的技术使用者：同济大学
技术研发日：.10.22
技术公布日：.01.21
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