纳米氧化硅是一种浸润性可调的、具有可控微观结构（球状、空心球状、棒状、线状、珍珠项链状……）的多功能材料。与其它材料相比，氧化硅具有一个独特的性质：通过在其表面嫁接不同的官能团，可调节其表面能和浸润性（亲/疏水性）。由于纳米氧化硅具有可调的浸润性、无毒性、高的孔隙率和高比表面积等特点，已被广泛研究并用于表面修饰、药物递送、细胞呈像探针、载药等领域。

制备纳米氧化硅常用的方法有溶胶-凝胶法、水热法、高温化学气相沉积法等。但是这些方法需要严格的反应条件，或在制备过程中涉及到高温、高压过程，因此具有一定的局限性。同济大学物理科学与工程学院纳米材料课题组近年来在低温（200℃以下）、常压条件下，通过化学气相沉积法制备纳米氧化硅方向取得了一些新的进展。以正硅酸四乙酯（TEOS）为硅源，在碳气凝胶骨架表面生长了几到几十纳米厚度的氧化硅，合成了碳-二氧化硅核壳结构气凝胶；该气凝胶在几乎没有损失碳气凝胶原有的吸收率的前提下实现了电导率数量级的降低（封面报道，Advanced Composites and Hybrid Materials, 2019, 2(4), 743-752）。采用化学气相沉积法结合高温煅烧工艺，获得了一种新型的纳米管状二氧化硅气凝胶；该气凝胶展现出了优异的综合性能(Chemistry of Materials, 2018, 30, 6849-6857)。

图1 ACS Appl. Nano Mater. 第3卷第2期封面.

近日，该课题组以甲基三甲氧基硅烷（MTMS）为硅源、在100℃的条件下、采用化学气相沉积法在密胺泡沫（MF）、碳化的密胺泡沫（CMF）骨架表面和普通玻璃表面生长了氧化硅纳米棒（SNRs）。通过调节硅源和催化剂的比例或含量，可以轻松改变一维纳米氧化硅的长径比，从而获得氧化硅纳米球、纳米棒或纳米线。有趣的是，与TEOS为源易于形成均匀包覆的微结构不同，MTMS为源的CVD方法容易生长为垂直生长的纳米棒，这揭示了表面能和浸润性对界面反应的重要影响。

图2. （a-d）MF、CMF、MF-SNRs和CMF-SNRs的SEM图像；(e) CMF和CMF-SNRs的XPS谱；（f）CMF-SNRs的SEM-EDS元素分布。

图3. 通过调节硅源和催化剂的比例或含量，可调节最终形成的一维纳米氧化硅的形貌。

一维纳米氧化硅的生成机理可以归结于V-L-S（Vapor-Liquid-Solid）理论。MTMS蒸汽在氨气氛下发生水解-缩聚反应，形成前驱体纳米液滴；纳米液滴通过分子热运动移动到基底上，形成氧化硅锚点；后续的前驱体液滴在锚点上生长，逐渐形成氧化硅纳米棒/线。

图4. （a）一维纳米氧化硅的生长机理；（b-g）不同化学气相沉积时间下MF-SNRs的SEM图像。

MF-SNRs和CMF-SNRs展现出了类似于荷叶效应的超疏水性；同时，复合材料在550℃高温下热处理半小时后仍然保持良好的疏水性。复合材料还具有较好的亲油性和热稳定性。与已报道的吸油材料相比，其具有几乎最高的吸油倍率（高于200 g/g）和吸油速率，并且能循环利用，因此在油水分离领域具有潜在的应用价值。该工作以“Hydrophobic Silica Nanorod Arrays Vertically Grown on Melamine Foams for Oil/Water Separation”为题发表在了ACS旗下期刊《ACS Applied Nano Materials》上（ACS Appl. Nano Mater. 2020, 3, 2, 1479-1488）。

图5. MF-SNRs和CMF-SNRs的浸润性和热稳定性测试结果。

该论文的第一作者是博士生汪宏强，通讯作者为杜艾副教授，课题组张晨、周斌、张志华和沈军等师生也参与了该工作。该工作受到国家重点研发计划“纳米技术”重点专项、国家自然科学基金、上海市特殊人工微结构材料与技术重点实验室开放课题的支持。

参考文献：

1, Multifunctional Silica Nanotube Aerogels Inspired by Polar Bear Hair for Light Management and Thermal Insulation. and Thermal Insulation. Chemistry of Materials, 2018, 30, 6849-6857.

2, Ultra-black carbon@silica core-shell aerogels with controllable electrical conductivities, Advanced Composites and Hybrid Materials , 2019, 2, 743–752.

3, Hydrophobic Silica Nanorod Arrays Vertically Grown on Melamine Foams for Oil/Water Separation, ACS Applied Nano Materials. 2020, 3, 2, 1479-1488.