低成本、性能优的硅藻土将成为传感器领域的新宠？
2020-12-21 10:14:53
硅藻土是一种天然无机非金属矿物材料，具有独特的多级孔道结构，但硅藻土本征比表面积较小（18-28m2/g），导致其应用受限。通过对硅藻土进行功能化改性，可以赋予硅藻土材料特定的理化性质，进而改善其环境治理效果，同时使其有望应用于能源及生物工程等领域。因此，对硅藻土进行功能化改性处理已成为目前人们研究的热点。目前，硅藻土功能化的研究主要集中于非共价修饰硅藻土、共价修饰硅藻土和对硅藻土的化学转化三方面，下面小编进行简要介绍。
一、硅藻土功能化方式
硅藻土功能化是拓宽其应用领域、提高其应用价值的关键，实现硅藻土功能化的途径主要分为以下三种：非共价修饰硅藻土，共价修饰硅藻土，以及对硅藻土的化学成分转化。图 1为几种硅藻土的扫描电镜照片。可以看出，尽管不同类型的硅藻土外观形貌相差较大，但同种硅藻土之间外形具有高度重复性，它们的组成构造基本相同。此外，硅藻土具有纳米级天然有序孔道结构，外形具有高度重复性，使其在纳米科技领域具有极大的应用潜力。
图1 多种形状硅藻土的SEM照片
1、非共价修饰硅藻土
非共价修饰硅藻土是指纳米功能单体与硅藻土表面不通过化学键连接，从而硅藻土进行修饰改性。硅藻土在复合材料中起到基体与防止团聚等功能。在复合材料中，硅藻土能够保持原有的形貌特征，其有序的孔道结构因表面功能单体的修饰而改变。非共价修饰硅藻土常用的方法包括水浴法、水热法和溶胶⁃凝胶法，其中以水热法最为常见。
图2 纳米金颗粒修饰硅藻土材料的扫描电镜照片
水热法功能化修饰的优点是功能单体可以在液相体系内均相成核，然后通过静电吸引作用沉积于硅藻土表面，形成纳米功能单体包覆硅藻土复合材料，也可以在液相体系内硅藻土表面异相成核原位生长。在硅藻土表面原位生长的纳米功能单体与硅藻土表面通过范德华力相结合，这种结合方式比简单包覆作用更为牢固。同时，在液相体系水热条件下，异相成核结晶生长所需的能量低，也更容易得到孔道有序、形貌规整、无团聚现象的纳米硅藻土复合材料。
2、共价修饰硅藻土
共价修饰硅藻土是指功能单体通过化学键（共价键）与硅藻土基体相互连接。 与功能单体包覆或在硅藻土表面原位生长相比，功能单体共价修饰硅藻土结合最为牢固、稳定。基于共价修饰的硅藻土复合材料主要分为两种：一种是以硅藻土为硅源和基体在硅藻土表面原位合成纳米硅酸盐，合成的硅酸盐内硅氧四面体与硅藻土内硅氧四面体通过Si-O键连接；另一种是利用硅藻土表面的硅羟基（Si-OH）与硅烷偶联剂进行缩合反应相互连接，然后利用硅烷偶联剂表面反应性锚定基团（例如氨基等）进一步接枝功能性有机分子。
3、硅藻土化学转化
采用化学方法对硅藻土进行转化目前主要集中于单质硅的合成以及在新能源、生物传感器领域的应用研究。硅藻土主要成分为非晶态SiO2，几乎不导电，这一性质极大限制了硅藻土在电池、电容器等新兴能源领域的应用。 利用化学方法可以将硅藻土内的SiO2转变为Si单质，在保留硅藻土原有形貌结构的同时可以得到廉价的纳米多孔半导体Si单质，进而在光电化学领域得到应用。
二、功能化硅藻土应用
1、非共价修饰硅藻土应用
（1）在污水处理领域的应用：非共价修饰硅藻土对污水中有毒重金属离子、放射性元素等污染物均有非常好的去除效果，同时在去除过程中的去除机制、相关因素的影响均已得到深入的研究。 在硅藻土表面负载MnO2等特定功能单体时，可以在吸附过程中实现有毒重金属离子的毒性降解，在环境保护及污水处理领域具有重要意义。非共价硅藻土因其制备工艺研究相对成熟，对水体中污染物去除性能优异，在污水处理领域具有极大的实用价值。
图3 非共价修饰硅藻土结构
（2）在能源、传感器领域的应用：在光敏染料太阳能电池领域， 相比传统电极材料，非共价修饰硅藻土材料具有成本和性能优势。硅藻土作为基体可以改善材料的分散性，进而增加复合电极材料的比表面积。另外，硅藻土有序的孔道结构可以促进对太阳光的吸收。非共价修饰硅藻土材料应用于传感器领域，主要是利用硅藻土作为功能单体的载体，由于其廉价且具有天然的纳米三维结构，在传感器领域具有成本优势和天然结构优势。
2、共价修饰硅藻土应用
（1）在生物医药领域的应用：共价修饰硅藻土用于生物医药领域极大地提高了硅藻土的利用水平。硅藻土本身为硅藻生物遗骸，具有良好的生物兼容性。当硅藻土以共价修饰的方式接枝特定药物时，可以使药物到达特定部位并且完成缓慢释放药物的功能，故共价修饰硅藻土在生物医药领域具有极高的应用潜力与研究价值。
（2）在传感器领域的应用：硅藻土具有独特的光学特性，其在紫外线照射下可以发出肉眼可见的蓝光，基于这一光致发光效应，功能化硅藻土可以应用于传感器领域。因此共价修饰硅藻土应用于传感器领域拓宽了传感器的研究思路，对于新型传感器的研究具有借鉴意义。
3、化学转化硅藻土应用
（1）在能源领域的应用：硅藻土超级电容器与传统电容器相比，具有较大的容量、较宽的工作温度范围和极长的使用寿命；而与蓄电池相比，它又具有较高的比功率，且对环境无污染。 硅藻土超级电容器内的硅藻土不是一种好的半导体材料，但当表面涂覆TiO2、MnO2、Fe3O4、等金属氧化物时，其半导体行为可以用于包括电容器或太阳能电池在内的众多器件中。
图4 Si⁃MnO2硅藻土的合成示意图
（2）在生物传感器领域的应用：功能化Si⁃硅藻土与共价修饰硅藻土具有相同的作用机理，均是利用硅藻土的光致发光效应与良好的生物兼容性。 但Si⁃硅藻土与硅藻土相比具有更好的导电性能，意味着Si⁃硅藻土应用于生物工程领域具有更高的检测精确度。
参考文献：
1、硅藻土功能化及其应用，王学凯，王金淑等，材料导报。
2、硅藻土的特点及其应用进展，金洋等，硅酸盐通报。
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