宏观3D多级多孔纳米材料一步合成方法技术

本发明专利技术公开了宏观3D多级多孔纳米材料一步合成方法，属于纳米材料技术领域，包括如下步骤：1)向有机溶剂中加入表面活性剂和油相反应前体物，作为油相；向水中加入水相反应前体物，作为水相；2)将油相与水相接触混合，形成油水双连续相界面的双连续乳液；3)静置，得到宏观3D多级多孔纳米材料。本发明专利技术的宏观3D多级多孔纳米材料一步合成方法，直接通过液体合成出由连续纳米层纠缠形成的整体宏观3D纳米材料，连续纳米层形成了双连续的多级孔道，从初始的微米级的孔道纳米级的孔都有，连续纳米层是有纳米材料合成的复合纳米材料。连续纳米层提供的结构强度，能够很容易的克服去除液体过程中的毛细管压力，脱水后体积收缩小于15％。

One step synthesis method of macro 3D multi porous nanomaterials

【技术实现步骤摘要】
宏观3D多级多孔纳米材料一步合成方法
本专利技术属于纳米材料
，具体涉及宏观3D多级多孔纳米材料一步合成方法。
技术介绍
多孔材料是指具有大量的一定尺寸孔隙结构和较高比表面积的一类材料。相对连续介质材料而言，多孔材料一般具有相对密度低、比表面积高、优异的吸附性能和良好的隔音、隔热、渗透性等特点，而被广泛地被用于航空航天、环保、电子通讯、原子能、医学、交通运输、冶金、建筑、机械、电化学和石油化工等领域，涉及吸附、消音、过滤、分离、电路屏蔽、隔热、催化反应、储能与转换和生物工程等诸多方面的用途，在科学技术和国民经济建设中发挥着巨大作用。溶胶凝胶法是指溶液中一种或几种组分形成溶胶，再经过一系列处理使溶胶转化成凝胶，从而形成一种均匀的几乎是非晶态固体的方法。溶胶随着反应的进行，固体颗粒会交联长大，变成具有网络结构的凝胶化物质。通常是以金属有机化合物、金属无机化合物或上述两者为原料形成的混合物经过水解缩聚的过程，逐渐凝胶化及进行相应的老化和干燥处理，而获得氧化物或其他化合物的方法。基于溶胶凝胶法制备多孔材料的方法主要分为两步：第一步，将原料和辅助好料溶解于溶剂中进行溶胶凝胶过程最终形成凝胶；第二步，将凝胶经过干燥处理后得到多孔材料。凝胶的状态和干燥处理技术共同影响最终产物的孔结构。宏观纳米多孔材料典型代表是气凝胶，气凝胶材料通常是指以纳米级颗粒相互聚集形成纳米多孔结构，并在纳米孔洞中充满气态分散介质的三维多孔轻质固体材料。气凝胶特有的三维网络孔隙结构，使其具有很多独特的性质，包括高表面积、低折射系数、低导电系数、低传热系数、低声传播速度、低密度等。这使得气凝胶具有非常广泛的应用领域。气凝胶在干燥阶段由于表面张力的存在，极易造成气凝胶材料的破碎和孔结构的破坏。气凝胶的多孔性必然造成材料本身脆性大且易碎。总的来说，气凝胶有下列缺点：昂贵的制备成本；干燥过程中会伴随着巨大的体积收缩，容易引起开裂，特别是对尺寸较大的胶体；材料本身难以克服的低强度、高脆等。这些缺点成为制约其广泛应用的瓶颈，因此也成为今后各国科学家共同努力突破的关键。现有技术常常是振动纳米材料的粉末的应用，如将粉末固结成型，这即实际上降低了比表面积同时也不能形成丰富的多级孔，非常不利于纳米材料的应用。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术的目的在于提供宏观3D多级多孔纳米材料一步合成方法，该材料具备丰富的纳米结构，比表面积非常大；在制备过程中收缩率很低，制备出来的材料相对传统的气凝胶有很高的强度。技术方案：为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：宏观3D多级多孔纳米材料一步合成方法，包括如下步骤：1)向有机溶剂中加入表面活性剂和油相反应前体物，作为油相；向水中加入水相反应前体物，作为水相；2)将油相与水相接触混合，形成油水双连续相界面的双连续乳液；3)静置，得到宏观3D多级多孔纳米材料。宏观3D多级多孔纳米材料是由纳米材料组成的二维的曲面组成，曲面是不规则的，包括由曲面形成的通道；曲面是由数层纳米材料组成的，其中至少包括支撑层、结合层和功能层，支撑层主要能够是固定双连续界面，提高结构强度，结合层是功能层与支撑层的结合层，功能层赋予材料一些其他相应的特殊功能；具备多级孔道结构，包括从微孔、介孔到大孔的纳米孔径，最大孔径甚至能够达到微米级，这些孔道相互连通。进一步地，步骤1)中，所述的油相反应前体物为碱性有机物，所述的水相反应前体物为金属盐；步骤2)中，所述的油相与水相接触混合后，该碱性有机物与金属盐在油水界面生成氢氧化物沉淀，并在表面活性剂和表面张力的作用下进一步自组装形成纳米结构的支撑层。步骤2)中，包括以下反应：2.1)引发反应：碱性有机物在油水界面上与水生成OH-；2.2)支撑层反应：水相中金属盐的阳离子在油水界面水侧与引发反应生成的OH-在油水界面生成氢氧化物沉淀，并在表面活性剂和表面张力的作用下进一步自组装成纳米结构支撑层。进一步地，所述的氢氧化物沉淀化学分子组成为其中，X为0～1，M2+、M3+为金属离子，An-为层间阴离子。进一步地，步骤1)中，所述的油相反应前体物还包括用于形成功能层的金属醇盐和/或有机聚合反应中大分子。进一步地，当所述的油相反应前体物包括有机聚合反应中大分子时，所述的水相反应前体物还包括有机聚合反应中小分子，该有机聚合反应中大分子与有机聚合反应中小分子发生加成、缩合、缩聚反应中的一种或多种，生成树脂。由此可知，功能层反应包括以下步骤：2.3)当油相反应前体物还包括金属醇盐时，金属醇盐在界面的油相侧，在引发反应生成的OH-的催化作用下，与水相发生水解聚合反应，形成纳米结构材料；2.4)当油相反应前体物还包括有机聚合反应中大分子时，所述的水相反应前体物还包括有机聚合反应中小分子，该有机聚合反应中大分子与有机聚合反应中小分子发生加成、缩合、缩聚反应中的一种或多种，生成树脂；2.5)当油相反应前体物还同时包括金属醇盐和有机聚合反应中大分子时，步骤2.3)-2.4)的反应均有发生。步骤2.3)-2.5)的反应在界面上进行，沿着双连续相界面生长形成宏观3D多级多孔纳米材料；随着反应的进行，界面上生成的纳米层越来越致密，从而限制了油水两相及溶解的反应前体物的扩散与接触，从而窒息了反应，限制了纳米层的厚度。进一步地，步骤1)中，向水中还加入表面活性剂，作为水相。进一步地，所述的油相中表面活性剂添加量占总表面活性剂添加量的50％以上，所述的水相中表面活性剂的添加量占总表面活性剂添加量的50％以下；所述的总表面活性剂添加量在油相和水相体积之和中浓度为10g/mL～0.01g/mL。进一步地，步骤1)中，所述的有机溶剂占油相的体积比为10％～80％；步骤1)和步骤2)中，所述的油相密度是水相密度的0.6～1.3倍，油相粘度是水相粘度的0.7～1.6倍；步骤2)中，所述的水相与油相混合的比例为1:3～3:1，所述的油相与水相接触混合后，水相反应前体物中阳离子正电荷浓度为0.00001～0.005mol/mL，阳离子正电荷数与碱性有机物理论生成的阴离子负电荷数的摩尔比为0.5～0.8。进一步地，所述的有机溶剂为1-溴庚烷、1-溴辛烷、1-溴壬烷、1-溴十一烷、1-溴十四烷，氯环己烷、1-溴十六烷、4-甲基-3-乙基庚烷、4-甲基十一烷、正十三烷、正二十烷、叔丁基苯、1,1-二苯基庚烷中一种或者多种的组合；所述的表面活性剂的HLB为2-7，所述的表面活性剂为双十二烷基二甲基溴化铵和/或卵磷脂。进一步地，步骤3)中，所述静置是在室温常压条件下静置12～48h。反应机理：将相应的物质分别溶解在水相和油相中(即两个不相容相中)，通过液液双连续相制备设备或方法，形成双连续相的液液界面，在界面上首先是溶解的表面活性剂快速扩散到界面上，降低界面的表面张力，维持形成的液液界面的稳定，同时溶解在油相中的反应引发剂(以苄胺为例)在油水界面发生反应生成OH-，OH-快速与水中的金属阳离子发生氢氧化物沉淀反应，生成的沉淀在表面活性剂和界面张力的共同作用下根据沉淀的不同性质，在油水界面快速自组装成不同结构的支撑层，同时表面活性剂与纳米颗粒沉淀相互作用表面活性纳米颗粒，将大大降低油水界面的表面张力，随着界面上纳米颗粒物的增大，使得反应前体物穿透界面的难度增加从而限制了纳本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.宏观3D多级多孔纳米材料一步合成方法，其特征在于：包括如下步骤：1)向有机溶剂中加入表面活性剂和油相反应前体物，作为油相；向水中加入水相反应前体物，作为水相；2)将油相与水相接触混合，形成油水双连续相界面的双连续乳液；3)静置，得到宏观3D多级多孔纳米材料。

【技术特征摘要】
1.宏观3D多级多孔纳米材料一步合成方法，其特征在于：包括如下步骤：1)向有机溶剂中加入表面活性剂和油相反应前体物，作为油相；向水中加入水相反应前体物，作为水相；2)将油相与水相接触混合，形成油水双连续相界面的双连续乳液；3)静置，得到宏观3D多级多孔纳米材料。2.根据权利要求1所述的宏观3D多级多孔纳米材料一步合成方法，其特征在于：步骤1)中，所述的油相反应前体物为碱性有机物，所述的水相反应前体物为金属盐；步骤2)中，所述的油相与水相接触混合后，该碱性有机物与金属盐在油水界面生成氢氧化物沉淀，并在表面活性剂和表面张力的作用下进一步自组装形成纳米结构的支撑层。3.根据权利要求2所述的宏观3D多级多孔纳米材料一步合成方法，其特征在于：所述的氢氧化物沉淀化学分子组成为其中，X为0～1，M2+、M3+为金属离子，An-为层间阴离子。4.根据权利要求2所述的宏观3D多级多孔纳米材料一步合成方法，其特征在于：步骤1)中，所述的油相反应前体物还包括用于形成功能层的金属醇盐和/或有机聚合反应中大分子。5.根据权利要求4所述的宏观3D多级多孔纳米材料一步合成方法，其特征在于：当所述的油相反应前体物包括有机聚合反应中大分子时，所述的水相反应前体物还包括有机聚合反应中小分子，该有机聚合反应中大分子与有机聚合反应中小分子发生加成、缩合、缩聚反应中的一种或多种，生成树脂。6.根据权利要求1所述的宏观3D多级多孔纳米材料一步合成方法，其特征在于：步骤1)中，向水中还加入表面活性剂，作为水相。7.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：祝建中，张欢，曹艳艳，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32