多功能化空心微球的选择与控制性制备新方法研究

Inspired by mussel-adhesion phenomena that the adhesive proteins secreted by mussels for attachment to wet surfaces in nature, we propose a simple, controllable and environmentally friendly method to create multifunctional hollow spheres, through mussel-inspired polydopamine films modification technic combined with selective etching strategy. In this project, we use the self-polymerization of dopamine in weak alkaline aqueous media to form surface-adherent polydopamine films onto the surfaces of the template particles, such as SiO2 spheres or SiO2 based composite spheres. With super-adhesive characters, the polydopamine films, as the surface protector, can prevent the surface layer of SiO2 spheres or SiO2 based composite spheres from being etched or dissolved by some solvents. While increasing reaction system temperature, the weak alkaline aqueous media is not only the dispersion medium any more, but also becomes the etchant for polydopamine coated template spheres. Then, the selective etching process can be carried out inside the polydopamine coated template spheres. Finally, the polydopamine coated hollow spheres are formed in the same weak alkaline aqueous media. More importantly, the adherent polydopamine films with ample of active catechol groups on the surface, can serve as the reductants, binding reagents and universal platforms for the secondary reactions. So, the different functional materials (e.g. metal nanoparticles, inorganic nanomaterials and polymers) can be imported to create the hollow spheres with different functionalities. By studying formation mechanism of multifunctional hollow spheres and the relationship of their composition, structures and performances, we can theorize the bio-inspired synthesis method to design and build functional materials with ideal structures and excellent performances, and explore their applications in different fields. This proposed project can be a promising platform for the future development and applications of multifunctional hollow sphere materials in the fields of optoelectronic devices, catalysis, biomedicine, and many others.

本项目拟采用多巴胺氧化自聚合的仿生修饰，结合相同水介质下的选择性刻蚀，构建一种工序简单、可控性强、环境友好的多功能化空心微球制备新方法。利用多巴胺常温弱碱性水介质中的氧化自聚合，在模板SiO2微球或复合微球表面实施仿生修饰，形成粘附性聚多巴胺；实现对模板微球表面层的保护性修饰，并提高其抵御外来刻蚀剂侵蚀溶解的能力；通过升高反应体系温度，弱碱性水介质转换成刻蚀剂，并渗透到聚多巴胺修饰的微球内部进行选择性刻蚀空化，实现空心微球的可控性制备；利用聚多巴胺中邻苯二酚基团的活性作用，在空心微球表面通过不同的功能化途径引入功能性物质，实现空心微球的多功能化。通过探究多巴胺仿生修饰协同选择性刻蚀，调控空心微球形成的作用机理，为仿生方法应用于空心结构材料制备提供理论基础。研究空心微球组成、结构与性能之间的构效关系，考察其在不同领域中的应用，为制备结构和性能协调统一的功能材料提供理论依据。

具有中空结构的空心微球作为一种新型功能材料，自身具有比表面积大、密度小、表面可渗透性以及内部空间大等特性，使得它们在催化、生物医药、光电器件、储能与能源转换、环境保护等诸多领域都有重要的应用前景。尽管早期研究工作在空心微球的制备及应用等方面取得了长足进步。但如何通过一种操作过程简便、可控性强、环境友好的方法来制备空心微球；如何通过自身结构、成分调整或表面修饰等措施赋予空心微球整体多功能化，并能满足人们对各种特殊性能材料的应用需求等，仍存在诸多问题亟待解决。.基于上述考虑，本研究项目采用多巴胺氧化自聚合的仿生修饰，结合相同水介质下的选择性刻蚀，构建出一种工序简单、可控性强、环境友好的多功能化空心微球制备新方法。利用多巴胺常温弱碱性水介质中的氧化自聚合，在模板胶体微球（例如：SiO2、聚苯乙烯、密胺树脂微球）或复合微球表面仿生修饰上粘附性聚多巴胺；并实现模板微球表面层的保护性修饰，赋予微球表面层抵御外来刻蚀剂侵蚀溶解的能力；而当升高反应体系温度，弱碱性水介质将转换成刻蚀剂，在聚多巴胺修饰的微球内部进行选择性刻蚀空化，形成空心微球；借助聚多巴胺层中邻苯二酚活性基团的作用，将不同功能性物质（例如：金属、无机化合物、有机小分子或聚合物）通过不同功能化途径，引入到微球表面，实现空心微球的多功能化。并考察了多功能化空心微球的相关性能（例如：催化、光催化、超疏水、SERS等）及应用。.本研究项目提出了在相同水介质环境中，多巴胺对模板微球表面的仿生修饰与选择性刻蚀技术相结合，构建出一种工序操作简单、可控性强、环境友好型的空心微球制备新方法。而且，通过聚多巴胺作为后续功能化反应平台，实现了空心微球多功能化。本研究工作促进了多功能化空心微球材料在光电器件、催化、生物医学等领域中的应用。为多功能化空心微球材料的制备和应用提供了一种新思路和新方法，具有很强的创新性、科学理论意义和应用研究价值。