低成本、性能優的硅藻土將成為傳感器領域的新寵？

發布時間 | 2020-01-17 14:40 分類 | 粉體加工技術點擊量 | 3234

導讀：硅藻土功能化是拓寬其應用領域、提高其應用價值的關鍵，實現硅藻土功能化的途徑主要分為以下三種：非共價修飾硅藻土，共價修飾硅藻土，以及對硅藻土的化學成分轉化。

硅藻土是一種天然無機非金屬礦物材料，具有獨特的多級孔道結構，但硅藻土本征比表面積較小（18-28m²/g），導致其應用受限。通過對硅藻土進行功能化改性，可以賦予硅藻土材料特定的理化性質，進而改善其環境治理效果，同時使其有望應用于能源及生物工程等領域。因此，對硅藻土進行功能化改性處理已成為目前人們研究的熱點。目前，硅藻土功能化的研究主要集中于非共價修飾硅藻土、共價修飾硅藻土和對硅藻土的化學轉化三方面，下面小編進行簡要介紹。

一、硅藻土功能化方式

硅藻土功能化是拓寬其應用領域、提高其應用價值的關鍵，實現硅藻土功能化的途徑主要分為以下三種：非共價修飾硅藻土，共價修飾硅藻土，以及對硅藻土的化學成分轉化。圖 1為幾種硅藻土的掃描電鏡照片。可以看出，盡管不同類型的硅藻土外觀形貌相差較大，但同種硅藻土之間外形具有高度重復性，它們的組成構造基本相同。此外，硅藻土具有納米級天然有序孔道結構，外形具有高度重復性，使其在納米科技領域具有極大的應用潛力。

圖1 多種形狀硅藻土的SEM照片

1、非共價修飾硅藻土

非共價修飾硅藻土是指納米功能單體與硅藻土表面不通過化學鍵連接，從而硅藻土進行修飾改性。硅藻土在復合材料中起到基體與防止團聚等功能。在復合材料中，硅藻土能夠保持原有的形貌特征，其有序的孔道結構因表面功能單體的修飾而改變。非共價修飾硅藻土常用的方法包括水浴法、水熱法和溶膠?凝膠法，其中以水熱法最為常見。

圖2 納米金顆粒修飾硅藻土材料的掃描電鏡照片

水熱法功能化修飾的優點是功能單體可以在液相體系內均相成核，然后通過靜電吸引作用沉積于硅藻土表面，形成納米功能單體包覆硅藻土復合材料，也可以在液相體系內硅藻土表面異相成核原位生長。在硅藻土表面原位生長的納米功能單體與硅藻土表面通過范德華力相結合，這種結合方式比簡單包覆作用更為牢固。同時，在液相體系水熱條件下，異相成核結晶生長所需的能量低，也更容易得到孔道有序、形貌規整、無團聚現象的納米硅藻土復合材料。

2、共價修飾硅藻土

共價修飾硅藻土是指功能單體通過化學鍵（共價鍵）與硅藻土基體相互連接。與功能單體包覆或在硅藻土表面原位生長相比，功能單體共價修飾硅藻土結合最為牢固、穩定。基于共價修飾的硅藻土復合材料主要分為兩種：一種是以硅藻土為硅源和基體在硅藻土表面原位合成納米硅酸鹽，合成的硅酸鹽內硅氧四面體與硅藻土內硅氧四面體通過Si-O鍵連接；另一種是利用硅藻土表面的硅羥基（Si-OH）與硅烷偶聯劑進行縮合反應相互連接，然后利用硅烷偶聯劑表面反應性錨定基團（例如氨基等）進一步接枝功能性有機分子。

3、硅藻土化學轉化

采用化學方法對硅藻土進行轉化目前主要集中于單質硅的合成以及在新能源、生物傳感器領域的應用研究。硅藻土主要成分為非晶態SiO₂，幾乎不導電，這一性質極大限制了硅藻土在電池、電容器等新興能源領域的應用。利用化學方法可以將硅藻土內的SiO₂轉變為Si單質，在保留硅藻土原有形貌結構的同時可以得到廉價的納米多孔半導體Si單質，進而在光電化學領域得到應用。

二、功能化硅藻土應用

1、非共價修飾硅藻土應用

（1）在污水處理領域的應用：非共價修飾硅藻土對污水中有毒重金屬離子、放射性元素等污染物均有非常好的去除效果，同時在去除過程中的去除機制、相關因素的影響均已得到深入的研究。在硅藻土表面負載MnO₂等特定功能單體時，可以在吸附過程中實現有毒重金屬離子的毒性降解，在環境保護及污水處理領域具有重要意義。非共價硅藻土因其制備工藝研究相對成熟，對水體中污染物去除性能優異，在污水處理領域具有極大的實用價值。

圖3 非共價修飾硅藻土結構

（2）在能源、傳感器領域的應用：在光敏染料太陽能電池領域，相比傳統電極材料，非共價修飾硅藻土材料具有成本和性能優勢。硅藻土作為基體可以改善材料的分散性，進而增加復合電極材料的比表面積。另外，硅藻土有序的孔道結構可以促進對太陽光的吸收。非共價修飾硅藻土材料應用于傳感器領域，主要是利用硅藻土作為功能單體的載體，由于其廉價且具有天然的納米三維結構，在傳感器領域具有成本優勢和天然結構優勢。

2、共價修飾硅藻土應用

（1）在生物醫藥領域的應用：共價修飾硅藻土用于生物醫藥領域極大地提高了硅藻土的利用水平。硅藻土本身為硅藻生物遺骸，具有良好的生物兼容性。當硅藻土以共價修飾的方式接枝特定藥物時，可以使藥物到達特定部位并且完成緩慢釋放藥物的功能，故共價修飾硅藻土在生物醫藥領域具有極高的應用潛力與研究價值。

（2）在傳感器領域的應用：硅藻土具有獨特的光學特性，其在紫外線照射下可以發出肉眼可見的藍光，基于這一光致發光效應，功能化硅藻土可以應用于傳感器領域。因此共價修飾硅藻土應用于傳感器領域拓寬了傳感器的研究思路，對于新型傳感器的研究具有借鑒意義。

3、化學轉化硅藻土應用

（1）在能源領域的應用：硅藻土超級電容器與傳統電容器相比，具有較大的容量、較寬的工作溫度范圍和極長的使用壽命；而與蓄電池相比，它又具有較高的比功率，且對環境無污染。硅藻土超級電容器內的硅藻土不是一種好的半導體材料，但當表面涂覆TiO₂、MnO₂、Fe3O4、等金屬氧化物時，其半導體行為可以用于包括電容器或太陽能電池在內的眾多器件中。