Целлюлоза-POSS-Силица/Золото ядро-оболочка гибридные нанокомпозиты: одношаговый соль-гелевый синтез и мультифункциональные свойства

Аннотация

Мы представляем оптимизированный одношаговый соль-гелевый путь к изготовлению целлюлозно-полиэдрических олигомерных сильсесквиоксанов (POSS) гибридов, включающих силициевые ядра, покрытые равномерной золотой оболочкой. Процесс одновременно гидролизует тетраэтил ортосиликат (TEOS) и восстанавливает хлораурат (HAuCl₄) в присутствии муравьиной кислоты, в то время как γ-амино пропил триэтоксисилан (γ-APTES) прививает аминофункционализированные POSS к целлюлозе. Изучены два варианта: (1) конвенциональная соль-гелевая последовательность и (2) PVA/THPC-опосредованный подход. Характеризация FT-IR, Raman, XRD, UV-VIS, фоtolюминесценцией, SEM/EDS, TEM, TGA/DSC и BET подтвердила успешное формирование ядро-оболочка, равномерную дисперсию, высокую оптическую прозрачность и усиленную термическую стабильность.

Предыстория

Пересечение нанотехнологий с полимерной наукой стимулировало разработку гибридных материалов для гибкой электроники, сенсоров и биосовместимых устройств. Силиция-золото ядро-оболочка наночастицы предлагают настраиваемые оптические, термические и каталитические свойства, однако традиционные многостадийные синтезы трудоемки. Интегрируя целлюлозу, возобновляемый биоразлагаемый полимер, с POSS, мы создаем надежную матрицу, стабилизирующую наночастицы и позволяющую масштабируемое производство. Соль-гелевый процесс обеспечивает низкотемпературный раствористый маршрут, сохраняющий функциональные группы целлюлозы при прививке неорганических сетей.

Методы

Материалы

Целлюлоза (DP = 4500) очищали с LiCl/DMAc, реактивы (TEOS, HAuCl₄, γ-APTES, THPC, PVA) закупали у стандартных поставщиков. Все реакции проводили под азотом для предотвращения окисления.

Синтез

Метод 1 (Соль-гель): 0,5 г целлюлозы и 0,35 г POSS-амина растворяли в 50 мл DMAc, перемешивали при 95 °C в течение 3 ч, затем добавляли 2 мл γ-APTES и 2 г TEOS. Вводили HAuCl₄ (0,002–0,004 М) и 10 г воды/муравьиной кислоты, и смесь рефлюксировали 12 ч. Продукт промывали этанолом и сушили при 95 °C.

Метод 2 (PVA/THPC): Идентичные начальные шаги следовали, с добавлением 0,2 г PVA и 5 мл THPC через 2 ч. Смесь рефлюксировали 12 ч, очищали и сушили аналогично.

Характеризация

Применяли FT-IR (KBr, 8 см⁻¹), Raman (He-Ne, 580–600 нм), XRD (Cu Kα), UV-VIS (λ = 200–800 нм), PL (He-Cd, 325 нм), SEM/EDS (Hitachi S-4200), TEM (JEOL 100CX), TGA/DSC (TA 2050, 10 °C/мин) и BET (BELSORP) для зондирования химической структуры, морфологии, кристалличности, оптического поведения и удельной поверхности.

Результаты и обсуждение

Структурное подтверждение

FT-IR спектры показывали характерные Si-O-Si, Si-O-Au и амидные пики, подтверждая успешное прививание и формирование ядро-оболочка. XRD паттерны обнаружили фцц золотые пики при 2θ = 22,56°, 25,14°, 27,90° и 30,08° на фоне целлюлоза-POSS сигналов, указывая на кристаллические золотые оболочки вокруг силициевых ядер.

Оптические свойства

UV-VIS пропускание демонстрировало высокую прозрачность во всем видимом диапазоне для обоих методов, с полосой поверхностного плазмонного резонанса около 520 нм. PL спектры показывали красносмещенные пики эмиссии (441–497 нм) и запрещенную зону 2,3–2,8 эВ, атрибутируемую квантово-размерным эффектам золотой оболочки.

Морфология

SEM изображения раскрыли монодисперсные равномерные наночастицы с уменьшенной агломерацией в методе PVA/THPC. TEM подтвердил диаметры ядер ~50 нм с толщинами силициевых оболочек, настраиваемыми от 20 до 100 нм в зависимости от концентрации TEOS.

Термическая стабильность

TGA кривые показывали три стадии деградации: 85–100 °C (адсорбированная вода), 100–450 °C (разложение целлюлозы) и 450–1000 °C (неорганический остаток). Углеродистый остаток достиг 44,5 % (Метод 1) и 34,5 % (Метод 2), демонстрируя усиленную термическую устойчивость.

Удельная поверхность

BET анализ дал удельные поверхности 16,6 м²/г (Метод 1) и 34,2 м²/г (Метод 2), с соответствующими микропорными объемами, указывающими на улучшенную пористость благодаря PVA/THPC обработке.

Заключение

Оба соль-гелевых подхода успешно производят целлюлоза-POSS-силица/золото гибриды с однородной ядро-оболочковой архитектурой, оптической прозрачностью и превосходной термической стабильностью. Метод PVA/THPC обеспечивает более тонкий контроль толщины оболочки и удельной поверхности, предлагая универсальную платформу для гибкой электроники и биосенсирования следующего поколения.