一种磁性核壳结构纳米材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种磁性核壳结构纳米材料及其制备方法和应用。所述磁性核壳结构纳米材料是由多巴胺与镍盐的螯合物对二氧化硅纳米球进行包覆得到的Ni2+-PDA@SiO2核壳结构纳米材料经过焙烧或者经过刻蚀后再焙烧得到。实验表明：本发明专利技术所述的磁性核壳结构纳米材料具有比表面积大、形貌结构好、磁性较强、吸附及催化性能优良等优点，可用作蛋白质吸附剂和芳硝基化合物的还原反应催化剂，并且在环境、能源等领域也具有较好的使用价值和应用前景。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术是涉及一种磁性核壳结构纳米材料及其制备方法和应用，属于纳米材料

技术介绍
随着纳米技术的发展，核壳结构纳米复合材料成为复合材料、纳米材料等领域研究的热点。核壳结构的纳米复合材料(CSNC)一般由中心的核以及包覆在外部的壳组成，CSNC中的内核与外壳之间通过物理、化学作用相互连接。广义的核壳结构不仅包括由不同物质组成的具有核壳结构的纳米复合材料，还包括中空微球、微胶囊等纳米复合材料。由于CSNC具有许多独特的物理和化学特性，在超疏水表面涂层、材料学、化学、磁学、电学、光学、生物医学、催化等领域都具有潜在的应用价值。研究表明：SiO2纳米小球具有比表面积大、尺寸可调控、无毒性等优点，因此，不仅可以作为功能性材料的载体，也可以作为核壳纳米材料的制备模板；多巴胺与二氧化硅有很好的生物相容性，环境友好无污染，并且多巴胺中含有氮元素使得其所制得的碳源可在超级电容器方面有着很大的应用前景。目前已有研究采用多巴胺对SiO2纳米小球进行表面修饰，制备核壳结构纳米材料，但目前还没有将镍盐与多巴胺的螯合物和SiO2纳米小球相结合制备核壳结构纳米材料的报道，更没有该核壳结构纳米材料的相关应用报道。另外，以往以SiO2纳米小球为模板，包覆多巴胺或过渡金属盐与多巴胺的螯合物制备核壳结构纳米材料的方法均为两步合成，都是先合成SiO2纳米小球，然后需要将制备的前驱体SiO2纳米小球离心分离并用溶剂进行数次洗涤处理，处理结束后再对SiO2纳米小球进行多巴胺或多巴胺和过渡金属盐的螯合物的包覆，最后得到的产物需要再一次的离心分离和溶剂洗涤，由于每一次的分离都需要较长时间和溶剂的洗涤，这样就造成时间的浪费和溶剂的消耗，而且多次洗涤也造成样品的损失。
技术实现思路
针对现有技术存在的上述问题，本专利技术的目的是提供一种磁性核壳结构纳米材料及其制备方法和应用，以扩大核壳结构纳米材料的种类和应用。为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种磁性核壳结构纳米材料，是由多巴胺与镍盐的螯合物对二氧化硅纳米球进行包覆得到的Ni2+-PDASiO2核壳结构纳米材料经过焙烧或者经过刻蚀后再焙烧得到。一种制备本专利技术所述的磁性核壳结构纳米材料的方法，包括如下步骤：a)首先采用法制备二氧化硅纳米球，然后直接向制备二氧化硅纳米球的反应溶液中加入多巴胺与镍盐的混合溶液，使制得多巴胺与镍盐的螯合物包覆二氧化硅的核壳结构纳米材料，即：Ni2+-PDASiO2核壳结构纳米材料；b)将制得的Ni2+-PDASiO2核壳结构纳米材料进行保温焙烧或者经过刻蚀后再进行保温焙烧，得到所述的磁性核壳结构纳米材料。作为优选方案，所述步骤a)包括如下操作：首先向醇水与氨水的混合溶液体系中滴加正硅酸四乙酯(即TEOS)，在室温下搅拌3～8小时，使正硅酸四乙酯完全水解生成二氧化硅纳米球；然后向二氧化硅纳米球的反应溶液中直接加入多巴胺与镍盐的混合溶液，在室温下继续搅拌6～24小时；结束反应，离心分离，对收集的固体进行洗涤、干燥，即得Ni2+-PDASiO2核壳结构纳米材料。作为进一步优选方案，1毫升正硅酸四乙酯使用10～40毫升醇水与氨水的混合溶液。作为进一步优选方案，所述醇水是由醇溶剂(例如乙醇)与水按体积比为1:1～20:1(以2:1～15:1最佳)形成。作为进一步优选方案，所述醇水与氨水的混合溶液是由醇水与氨水按体积比为8:1～40:1(以10:1～35:1最佳)形成。作为进一步优选方案，所述多巴胺与镍盐的摩尔比为2:1～2:10(以2:1～2:8最佳)。作为优选方案，步骤b)中的保温焙烧是在气体(例如氮气)保护下，首先以8～12℃/min的升温速率升温至350～800℃(以450～550℃最佳)，然后进行保温焙烧4～6小时。作为优选方案，步骤b)中的刻蚀采用去离子水。作为进一步优选方案，所述刻蚀包括如下操作：首先将制得的Ni2+-PDASiO2核壳结构纳米材料分散在去离子水中，超声均匀后转移至反应釜中，然后在150～170℃保温12～24小时。本专利技术中所述的镍盐为水溶性镍盐，可以选择氯化镍、硝酸镍等。本专利技术所述的磁性核壳结构纳米材料可用作蛋白质吸附剂，尤其可用作牛血红蛋白吸附剂。本专利技术所述的磁性核壳结构纳米材料还可用作芳硝基化合物的还原反应催化剂，尤其可用作硝基苯酚(例如：对硝基苯酚)的还原反应催化剂。本专利技术中所述氨水的浓度为32wt％。与现有技术相比，本专利技术具有如下显著性有益效果：1、本专利技术通过首先使多巴胺与镍盐的螯合物包覆二氧化硅纳米球，制得Ni2+-PDASiO2核壳结构纳米材料，然后对Ni2+-PDASiO2核壳结构纳米材料进行焙烧，使还原析出材料中的镍颗粒，得到金属镍颗粒镶嵌在表面的刺状磁性核壳结构纳米材料；当经过刻蚀后再进行焙烧，可得到空心的刺状磁性核壳结构纳米材料；经测试：本专利技术所提供的刺状磁性核壳结构纳米材料具有比表面积大、形貌结构好、磁性较强、吸附及催化性能优良等优点，尤其可用于牛血红蛋白的选择性吸附和对硝基苯酚的还原催化反应，并且在环境、能源等领域也具有较好的使用价值和应用前景；2、本专利技术采用一步法制得Ni2+-PDASiO2核壳结构纳米材料，制备中无需将生成的二氧化硅纳米球事先分离出来进行处理，极大的节约了时间并减少了试剂的消耗，合成方法简单有效，环境友好，试剂易得且消耗少，产量高，并且制备的产品形貌稳定，适合规模化生产；3、本专利技术可通过调节醇水比及多巴胺与镍盐的摩尔比，对制备的磁性核壳结构纳米材料的粒径大小、所负载的镍金属颗粒量、所负载的镍颗粒粒径大小进行调控；另外，对Ni2+-PDASiO2核壳结构纳米材料进行去离子水刻蚀后再进行焙烧，将可得到空心的核壳结构纳米材料，可相对实心核壳结构纳米材料具有较大比表面积，吸附量更大。附图说明图1-1为实施例1中采用不同醇水比制备得到的Ni2+-PDASiO2核壳结构纳米材料的扫描电镜图；图1-2为实施例1中采用不同醇水比制备得到的磁性核壳结构纳米材料的扫描电镜图；图2-1为实施例2中采用多巴胺与镍盐的不同摩尔比制备得到的Ni2+-PDASiO2核壳结构纳米材料的扫描电镜图；图2-2为实施例2中采用多巴胺与镍盐的不同摩尔比制备得到的磁性核壳结构纳米材料的扫描电镜图；图3-1为实施例3中制备得到的Ni2+-PDASiO2核壳结构纳米材料的扫描电镜图；图3-2为实施例3中制备得到的磁性核壳结构纳米材料的扫描电镜图；图4a为实施例4中采用多巴胺与镍盐的不同摩尔比制备得到的磁性核壳结构纳米材料的XRD图；图4b为实施例4中采用不同焙烧温度制备得到的磁性核壳结构纳米材料的XRD图；图5为应用例1中磁性核壳结构纳米材料对对硝基苯酚还原反应的催化效果图，其中：图5a体现了磁性核壳结构纳米材料对对硝基苯酚的还原催化反应的转化率影响；图5b体现了磁性核壳结构纳米材料循环使用的催化活性；图5c体现了磁性核壳结构纳米材料用本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种磁性核壳结构纳米材料，其特征在于：是由多巴胺与镍盐的螯合物对二氧化硅纳米球进行包覆得到的Ni2+‑PDA@SiO2核壳结构纳米材料经过焙烧或者经过刻蚀后再焙烧得到。

【技术特征摘要】
1.一种磁性核壳结构纳米材料，其特征在于：是由多巴胺与镍盐的螯合物对二氧化硅
纳米球进行包覆得到的Ni2+-PDASiO2核壳结构纳米材料经过焙烧或者经过刻蚀后再焙烧
得到。
2.一种制备权利要求1所述的磁性核壳结构纳米材料的方法，其特征在于，包括如下
步骤：
a)首先采用法制备二氧化硅纳米球，然后直接向制备二氧化硅纳米球的反应溶
液中加入多巴胺与镍盐的混合溶液，使制得多巴胺与镍盐的螯合物包覆二氧化硅的核壳结
构纳米材料，即：Ni2+-PDASiO2核壳结构纳米材料；
b)将制得的Ni2+-PDASiO2核壳结构纳米材料进行保温焙烧或者经过刻蚀后再进行
保温焙烧，得到所述的磁性核壳结构纳米材料。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤a)包括如下操作：
首先向醇水与氨水的混合溶液体系中滴加正硅酸四乙酯，在室温下搅拌3～8小时，使
正硅酸四乙酯完全水解生成二氧化硅纳米球；然后向二氧化硅纳米球的反应溶液中直接加
入多巴胺与镍盐的混合溶液，在室温下继续搅拌6～24小时；结束反应，离心分离，对收
集的固体进行洗涤、干燥，...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁磊，张敏，徐菁利，
申请(专利权)人：上海工程技术大学，
类型：发明
国别省市：上海;31