在稀薄溶液中進行中孔洞氧化矽材料之合成及其晶體形貌之研究

Abstract

本研究採用自行開發之“加入稀薄溶液法”，操控界面活性劑與氧化矽之間的作用力和反應動力學，以帶正電荷的四極銨鹽界面活性劑(CnTMAX，n=12-18；X=Br、Cl)或中性之三共聚高分子界面活性劑(EO20PO70EO20)當作有機模板，先與預水解之四乙基氧矽烷(TEOS)進行反應產生大量的氧化矽晶種，並於不同pH值的稀薄溶液裡生成出具有不同孔徑大小、顆粒尺度及形貌之中孔洞氧化矽材料。同時，結合成核-共沈澱的觀念，再加上“加入稀薄溶液法”可成功地將各種金屬前驅物及具有不同官能基的矽烷進行共聚合反應合成出具有活化中心的中孔洞材料及達到表面改質的目的。 另外，更進一步研究出使用成本低廉且為水溶性的矽酸鈉(Sodium Silicate)來取代現有的有機矽源(TEOS)當作無機物的來源；利用動力學的觀念，並結合氧化矽與界面活性劑之間作用的聚合速率快慢與系統的pH值有關的想法，於不同pH值的環境條件下進行反應而合成出奈米尺度的中孔洞材料。產物顆粒大小會隨著系統pH值的不同(即氧化矽聚合速率的快慢)而有所改變。在此我們發現使用單價便宜的矽酸鈉當作無機物的來源，可達到中孔洞材料量產化的經濟價值。我們亦嘗試改變反應物之間的比例、酸源種類、水量及溫度發現對氧化矽材料均有顯著的影響。 結合結晶學慢速成長反應條件有助於晶體的生成之觀念，在氯化十八烷基三甲基銨(C18TMACl)-矽酸鈉鹽的反應系統中，於適當的反應溫度及pH值接近2.0（即二氧化矽之等電位點）的環境條件下，可合成出具有立方體形貌的中孔洞氧化矽晶體。由於在此pH值及稀薄溶液環境裡，使得二氧化矽聚合速率變慢讓界面活性劑與氧化矽之間的自組合物種有時間慢慢地生成出具有立方中孔洞結構(Pm3n)之漂亮晶型形貌。我們也可以有系統地控制不同晶體形貌的生成，即控制不同的反應合成條件，例如：有機界面活性劑與二氧化矽之間的比例、界面活性劑碳鏈長度、溫度、pH值及水量等生成出具有不同晶體面(100)和(110)比例的氧化矽晶體形狀。同樣地，在相同的反應條件下，我們可以用電中性的共聚高分子(EO20PO70EO20、EO106PO70EO106)來取代現有的氯化十八烷基三甲基銨(C18TMACl)-矽酸鈉鹽反應系統，合成出以中性界面活性劑當作有機模板的中孔洞氧化矽晶體。