化学科研基础与创新实验课程建设的探索与实践
Exploration and Practice of Fundamental and Innovative Experimental Course Design in Chemistry
| 创新实验题目：稀土配位聚合物/二氧化硅复合材料的制备、转化及其性能研究 钟声亮李盛凯 |
| 一、实验目的 1. 以功能为导向，制备性能优异的稀土配位聚合物/二氧化硅复合物。 2. 通过设计不同的配体和配位聚合物、路线和途径以及后期处理条件制备系列具有新颖结构和性能的复合材料，进而对其性能进行探索和研究，找出制备条件对合成材料结构和性能的影响规律。 3. 找出相关规律性，为其他配位聚合复合材料的设计和制备提供方法路线和实验依据。 |
| 二、实验设计意图 二氧化硅由于具有优良的化学稳定性、无毒性、亲水性、表面硅羟基易功能化等优点[ⅰ]，已成为材料中的重要一员，在化妆品、塑料、橡胶、涂料[ⅱ]、医药[ⅲ]和环保等行业有着广泛的应用和发展。其中，单分散介孔二氧化硅微球粉，由于其颗粒大小均匀、微球呈单分散性、不粘连、吸油值高、球形表面光滑、涂抹轻盈滑爽等特点，是一种优良的化妆品添加原料。此外，二氧化硅还具有价格低廉、易合成、可透光、粒径易控制等优点。综上所述，配位聚合物/二氧化硅复合材料[ⅳ]可改善材料的性能，获得更好的应用效果。迄今为止，鲜有关于稀土配位聚合物/二氧化硅复合物的研究，其应用还有待开发，还有很大的发展空间。此外，未见关于其复合物在高温条件下转化研究的报道。 我国在稀土科研方面也相对落后，稀士专利基本被美国和日本等发达国家垄断。因此，如何开发一些具有我国特色和具有知识产权的稀土材料是一项很值得研究的课题。基于我们的前期研究基础、文献调研和我省稀土资源开发与利用的现状，我们拟以稀土配位聚合物[ⅴ]为研究对象，二氧化硅为复合组分，通过不同的方法和途径制备其复合材料，进而在不同的条件下进行高温处理，有望获得一些组成丰富、结构新颖、性能优异的稀土新材料。详细考察制备方法和路线对材料合成的影响，对其制备机理进行研究，进而对其性能进行研究，重点探讨其在生物光学成像、药物控制释放和化妆品中的应用，有望获得系列结构新颖、性能优异的稀土新材料。 |
| 三、仪器和试剂 (一) 仪器 反应釜、烘箱、马弗炉、磁力搅拌器、紫外灯、离心器、离心管、样品管、烧杯、玻璃棒、胶头滴管。 (二) 试剂 正硅酸乙酯(TEOS)、氨水、Eu(NO3)3·6H2O、表面活性剂、无水乙醇、氨基酸等。 |
| 四、实验步骤 (一) 介孔二氧化硅的制备 以TEOS为硅源，采用改性Stöber法(具体内容)进行制备，在模板剂存在的条件下制备二氧化硅，进而在高温下煅烧制备介孔二氧化硅。 (二) 稀土配位聚合物/二氧化硅复合材料的制备与性能研究 拟通过以下三种途径进行制备。技术路线图如图a所示。 |
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| 1. 将制备的配位聚合物粒子分散在溶剂中，然后加入一定量的氨水，调节溶液至弱碱性，然后缓慢加入TEOS，让其水解，得到其复合物。 2. 将介孔二氧化硅分散在溶剂中，然后加入稀土离子和配体，控制反应条件，制备其复合材料。 3. 将稀土离子、有机配体和TEOS溶于合适的溶剂中，然后调节溶液pH，在水浴或溶剂热的条件下进行反应，制备其复合材料。 |
| 五、产物的表征及其性能研究 对复合材料的热稳定性、发光性能等进行测试，考察复合前后材料性能的变化，找出优化材料性能的规律及其相互作用的机理，进而在高温下进行处理，获得其在高温条件下的分解规律。 |
| 六、实验拓展与设计 1. 根据稀土离子的特性，设计并选择不同的配体，合成不同的前驱体配体分子，以期控制晶体的生长，获得具有不同尺寸和形貌的产物，并找出相关的规律。 2. 选择不同的碱源来控制晶体的生长，获得具有不同尺寸和形貌的产物，找出相关的规律。 3. 摻杂不同的金属离子，合成功能复合或性能优化的产物，探索其新用途。 4. 由于稀土离子性质相近，并且随着原子序数的增加有规律的变化，在上述合成的基础上，应用于其他稀土氧化物的合成，并找出相关的规律。 |
| 参考文献 |
| [ⅰ] Zhong, S. L.; Zhang, L. F.; Xu, A. W. Small 2014, 10, 888. [ⅱ] Wang, W.; Zeng, Q.; Zhao, B. J. Mater. Chem. A 2013, 1 (37), 11465. [ⅲ] Bacheri, E.; Ansari, L.; Abnous, K.; Ansari, L.; Taghdisi, S. M.; Charbgoo, F.; Ramezani, M.; Alibolandi, M. J. Control. Release 2018, 277, 57. [ⅳ] Zhang, X.; Zhao, Y.; Peng, J.; Yang, Q. Green Chem. 2015, 17, 1899. [ⅴ] Zou, H. H.; Wang, L.; Zeng, C.; Gao, X.; Wang, Q.; Zhong, S. Front. Mater. Sci. 2018, 12, 327. |