微流控芯片界面沉淀法制备单分散氧化硅微球

【作者】 解华； 李春林； 刘娜； 魏迎旭； 林炳承； 刘中民；

【机构】 中国科学院大连化学物理研究所；

【摘要】 氧化硅（SiO₂）微球具有良好的光学性能、化学惰性和热稳定性等性能,被广泛应用于材料化学、生物医学、光学、催化等领域。微米级的SiO₂微球具有多孔结构,经常被用作流化床催化剂载体或光子晶体单体,这些应用对SiO₂微球的均一性、单分散性及球形度均有较高的要求。而通过传统方法如化学沉淀法、微乳液法、溶胶-凝胶法等制备的SiO₂微球粒径通常在亚微米级,且粒径很难控制[1],很难满足上述应用需求。因此发展一种新的方法来制备性质均一、单分散的SiO₂微球,具有重要意义。微流控技术是一种以在微尺度空间对流体和粒子进行操控为主要特征的科学技术。其传质传热快速均一、可精确控制反应条件,近年来已经成为材料合成研究的有力工具[2]。本实验室发展了一种基于微流控技术的界面沉淀法,制备单分散微米级别的SiO₂微球。该方法在PDMS芯片上,通过水油两相流体剪切生成前驱体液滴,然后再通过液滴界面导入碱性沉淀剂,在线固化制备均一微颗粒（图1）。通过调芯片结构、流速,可以控制颗粒的大小;通过调节沉淀相中的沉淀剂含量,可以改变颗粒的比表面积（136-606 m²/g）和孔径分布（17-41A）。以该方法制备颗粒,在室温条件下可即实现在线固化,不易发生融合,因此得到的材料粒度均一性远优于市场销售的产品,变异系数CV可达2%以下（图2）。由于沉淀反应发生在两相界面,不易阻塞通道,因此可长时间生产。该方法可拓展至其他氧化物制备,如Cu/Zn混合氧化物空心微球、Fe/SiO₂单分散微球等。通过对pH值等微环境的精准控制,可灵活调节材料的组成、结构、形貌等性质,这对传统制备方式是很难实现的。该法制备的SiO₂微球粒径均一,可作为流态化模拟的模型粒子;利用其较大的比表面积担载催化剂,还可填充进芯片微反应器,进行催化反应的相关研究。更多还原