机械论文：介孔硅膜的制备及应用研究

　　机械论文：介孔硅膜的制备及应用研究

　　多孔性材料被普遍认为具有较大的比表面积和较高的吸附容量，常被用作吸附剂、催化剂载体、分离介质等。在膜科学、纳米材料、介孔材料等领域中，介孔硅膜材料除具有大的比表面积外、它的结构也非常有序，并且表面可以用于后期改性修饰，在电化学分析领域中具有非常重要的地位。最初在1992年的时候，由美国Mobil公司的Beck等[1]成功合成出新型介孔分子筛材料，该材料具有均匀的孔道结构和相对较小的孔径分布，在介孔材料的研究中起到了很重要的一个开端。2017年，丁昊等［2］成功合成出氧化铟锡电极支撑的二氧化硅纳米均孔膜，用于修饰电极后，能够快速检验出化妆水中的抗氧化剂，拓宽了电化学传感器的实际应用。

　　近十年，介孔分子筛膜成为众多科研工作者的关注，多种功能介孔薄膜被制备出来，尤其对硅系无机介孔膜有更深入的研究。介孔二氧化硅薄膜材料较之于普通多孔二氧化硅薄膜，具有比较特殊的尺寸效应和功能性，在传感器、增透膜及光学材料方面有着广泛的应用［3］。

　　介孔硅膜的制备方法

　　1.1 溶胶－凝胶法

　　溶胶凝胶法制备介孔硅膜，首先需要先将前驱体溶于水或者其他有机溶剂，通过化学反应后逐渐变成溶胶，然后将多孔膜浸入到上述已经溶胶化的驱体中，混合液会进一步的凝胶化，最终通过陈化、热处理的方式进行后续处理。该实验方法只需要少量的溶剂，并且可以通过表面活性剂以及凝胶化的条件控制来达到调节介孔硅膜的孔结构。此外，该方法操作简单、过程好掌握、设备需求不高、成本较低，合成的介孔固体具有纯度较高、均匀度较好的特点论文发表。

　　1.2 溶剂蒸发诱导自组装法

　　溶剂蒸发诱导自组装法主要是通过溶剂在蒸发过程中诱导表面活性剂进行自组装，当达到一定的临界浓度，会形成具有一定规则形状的胶束，这为硅源后期通过缩聚反应形成介孔结构的硬模板。此方法一定程度上加快了成膜的速度，降低溶液中均相成核的概率，并且操作简单。整个实验方法过程可以利用表面活性剂的种类、硅源的摩尔比以及反应条件的相对湿度等进行控制。

　　1.3 气相沉积法

　　化学气相沉积主要是将气体反应物在一定反应条件下经过化学反应生成固态物质，这种方法被普遍应用于硅系无机膜的制备。目前，采用比较多的气体源是含硅烷和氧气的混合体。在化学气相沉积法中使用比较多的是等离子体增强化学气相沉积法。该技术是主要是依靠高频电场将本身比较薄的气体经过电离变成等离子体，离子在电场中能够被加速从而获得能量，从而实现二氧化硅薄膜的沉积。

　　1.4 抽滤法

　　抽滤法制备介孔硅膜主要是将多孔膜放置于抽滤装置中，经过减压抽滤，表面活性剂和硅源会滤过多孔膜的孔道，这些有机溶剂会在负压的影响下进行挥发，促使有机溶剂中的表面活性剂进行自组装以及硅源本身的水解反应，最后形成介孔材料。抽滤法最大的特点就是没有太多的副产物，整个实验过程简单易控，并且和其他方法相比，速度相对较快。

　　2. 介孔硅膜的应用

　　二氧化硅介孔膜具有特殊的孔径范围，它的孔壁可官能化，在催化、吸附与分离方面、光电、传感器、微电子等方面也有着广泛的应用前景。目前介孔硅膜的应用研究主要集中在以下几个方面。

　　2.1 催化领域

　　介孔硅膜在催化领域的应用中起到了非常重要的作用，能改善传统沸石分子筛中存在的一些问题，比如大分子的催化以及吸附与分离。同时, 由于介孔硅膜和传统的介孔材料相比，比表面积更大，这就可以促使在进行吸附分离和分子催化的过程中反应进程连续化，进一步扩大应用范围。Nish iyama等[4]利用介孔二氧化硅成功制备出Zr-MCM-48膜，并以1%的聚乙二醇水溶液作为目标，检验Zr-MCM-48膜的过滤性能，结果显示其截留分子量为3800, 膜的截留率-分子量曲线中有一个非常明显的上升趋势, 从而进一步说明Zr-MCM-48膜的孔径分布非常窄，具有很高的分离性能。

　　2.2 纳米材料的模板剂

　　由于介孔硅膜本身的结构特征，常被用作纳米材料制备过程中的模板剂。目前已经有很多的研究者利用介孔硅膜成功制备出了纳米棒阵列、纳米线阵列的纳米材料。早在2012年的时候，研究者就发现可以将PVDF和共聚物PVTF成功组装在介孔硅膜的孔道结构中，由此成功制备出了比较薄的膜功能材料，为后续研制具有高选择性和分辨率的传感器提供了基础材料。

　　2.3 光电、传感器领域

　　介孔硅膜具有比较大的比表面积，同时具有良好的塑造性，可以实现器件和系统的小型化，使得在光电、传感器领域的应用研究中也特别突出。Stuck等[5]通过掺杂荧光素, 制备出光学透明的介孔二氧化硅薄膜, 可用做高效的PH传感器。李强等[6]以0.06μm的铬薄膜作为底衬，将二氧化硅膜作为保护膜，成功制备出了3层膜结构和两种两层膜结构的热流传感器样品，热流测量精度和耐冲刷能力都得到一定程度提升。

　　3. 结语

　　介孔二氧化硅膜有着比较大的比表面积，高效的吸附性能，特征的孔道结构，在纳米材料的研究上广受研究者的关注。介孔硅膜的合成过程中受很多因素的影响，比如表面活性剂的种类、溶剂的温度、浓度、反应时间等，反应条件的控制对硅膜的孔道结构有一定的影响，所以根据合成方法控制好反应条件显得尤为重要。随着经验的不断积累，设计和合成多级有序或形貌控制的介孔材料的研究工作已经在薄膜制备方面取得极好的成果，并且已经成功在催化领域、光电、传感器等方面得到了应用。