聚多巴胺功能修饰及原位化学还原法制备纳米Ag复合材料

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作为纳米材料的一员,银(Ag)纳米粒子除了具有高导电导热、催化、杀菌等优异的性能外,还具有纳米效应,在催化、敏感、杀菌及光、热、电、磁等方面显示出独特的优异性能。Ag纳米粒子连续致密的固定在聚苯乙烯(PS)微球表面形成核壳结构的PS/Ag微球或Ag纳米粒子均匀分散的固定在CNTs表面形成的CNT/Ag纳米复合材料在低温超导、催化剂、生物传感器、表面增强拉曼散射、抗菌等领域都有广泛的应用。聚多巴胺(PDA)是一种环境友好的生物大分子,它可以通过多巴胺的自聚合紧紧的粘附在多种有机和无机基体表面形成均匀的包覆层。一方面聚多巴胺具有很好的亲水性,能有效改善疏水基体在水溶液中的分散性;另一方面PDA结构中含有大量的酚羟基和含氮基团,这些化学活性基团是很好的二次反应平台,尤其是对银离子等有很强的吸附性,同时PDA还具有弱还原性,能将吸附的银离子原位还原为Ag纳米粒子固定在包覆PDA的基体表面。本研究采用PDA功能修饰及原位化学还原法制备了纳米Ag复合材料,具体内容如下:(1)采用PDA功能修饰及原位化学还原法制备了核壳结构的PS-PDA/Ag微球。首先通过多巴胺的自聚合在PS微球表面包覆PDA,PDA结构中的酚羟基和含氮基团可将溶液中的银氨离子吸附在PS-PDA微球表面,同时PDA的弱还原性能将吸附的银氨离子还原为Ag纳米粒子固定在PS-PDA微球表面并作为催化活性点。然后以葡萄糖为还原剂使溶液中的银氨离子在已形成的Ag纳米粒子上继续还原长大,形成致密连续的Ag层,从而得到核壳结构的PS-PDA/Ag微球。研究了多巴胺浓度对PDA包覆层厚度及银还原效果的影响、AgNO3浓度对银还原效果的影响,并对制备的样品进行TGA、SEM、XRD、XPS、接触角、导电测试。结果表明,可通过增加多巴胺浓度增加PDA层的厚度;PS-PDA表面的Ag纳米粒子的粒径随PDA层厚度的增加而减小、随AgNO3浓度的增加而变大;Ag纳米粒子负载量随PDA层厚度和AgNO3浓度的增加变得致密,当多巴胺浓度为2g·L1,AgNO3浓度为10g·L1时,Ag纳米粒子能在PS-PDA微球表面形成连续、致密的Ag层,此时PS-PDA/Ag核壳微球的导电率约为10S·cm1,密度为1.8g·cm3。(2)对CNTs进行了PDA功能修饰,然后利用PDA结构中的酚羟基和含氮基团对银氨离子的吸附性和PDA的弱还原性将Ag纳米粒子均匀分散的固定在CNT-PDA表面,制备了CNT-PDA/Ag纳米复合材料。研究了多巴胺浓度对PDA层厚度的影响及PDA层对CNTs在水溶液中分散性的影响,并对制备的样品进行HR-TEM、TGA、XRD、XPS等测试。结果表明,可以通过增加多巴胺浓度增加PDA层的厚度;PDA功能修饰后的CNT-PDA能稳定的分散在水溶液中;当多巴胺浓度为2g·L1,AgNO3浓度为10g·L1时,球状Ag纳米粒子能在均匀分散的固定在CNT-PDA表面,此时Ag纳米粒子的粒径约为3–4nm,且粒子之间的间距小于10nm。通过控制反应条件,如多巴胺浓度、AgNO3浓度等,可以制备不同PDA包覆层厚度、不同粒径的Ag纳米粒子和不同Ag负载量的复合材料。该方法具有操作简单、反应条件温和、对仪器设备要求简单、对基体材料种类和形状没有特殊要求、对环境无污染等优点。
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