有机功能分子修饰多孔硅在有毒重金属离子传感器中的研究

Porous silicon (PS) is a promising material which has attracted considerable widespread attentions, because it has large specific surface and it is compatible with integrated silicon-based IC technology. However, these characters of PS make unstability and bad selectivity of the device made only from PS. Therefore the modification of PS showed the great significance both in improving stability and extending application fields. Nano metal films or organic functional groups which can selectively combine with toxic metal ions will be grafted onto the surface of PS based on the self-assembled technology of nanometer metal film, design and tailor of organic functional molecular, and coupling techniques of chemical covalent. The function of PS for selective detection of specific heavy metal ions can be given. In this program, the effect of fabrication parameters on the nanostructure and property of PS and the surface chemical state on the nano meter.metal film and organic functional groups will be investigated. The sensing performance of functionalized PS is finally studied. The mechanism of action between nanometer metal film or organic functional groups and the target metal ions will be revealed by the quantum chemical calculation, thus provide theoretical instruction for designing and fabricating PS based toxic metal ions.sensor.

多孔硅（PS）材料因其有巨大的比表面积和与硅基IC工艺相兼容的特性而引起了人们的广泛关注，但也正是因为其高的比表面积导致未经修饰的多孔硅器件通常具有稳定性和选择性欠佳的问题。所以，PS表面的功能化修饰无论是对提高其器件稳定性和选择性还是通过赋予PS一些特异性功能来拓宽其运用领域都显得十分必要。本项目基于金属纳米薄膜自组装技术和有机功能分子的设计、剪裁和化学共价偶联技术将具有与有毒重金属离子选择性结合的纳米金属膜或有机功能基团嫁接到PS表面，赋予PS对特定重金属离子选择性检测的功能；系统研究多孔硅制备参数对其纳米结构和性质的影响，以及表面化学状态对金属纳米薄膜或有机功能基团嫁接的影响，并对功能化PS的敏感特性进行系统考查; 通过量子化学计算来阐明纳米金属薄膜/有机功能基团与目标金属离子之间的相互作用机理，为PS基有毒重金属离子传感器的设计和制作提供理论指导。

本课题利用化学共价偶联的方法对经Cu2+、Ag+离子辅助刻蚀的纳米多孔进行有机功能化处理，将其用于重金属离子As3+、Pb2+、Hg2+、Cr6+、Cd2+的选择性吸附和检测。研究内容和重要结论如下：（1）纳米多孔硅的制备：比表面积和孔容积分别为94.921m2/g和0.206 cm3/g，（2）3-甘二氧基丙基三甲氧基功能化多孔硅的制备对As5+的吸附研究：pH=7时对As5+的吸附量最大为13.2 mg/g，30 min达到吸附平衡，符合Langmuir等温吸附模型，因-NH2与H3AsO4之间形成了较强的氢键作用。（3）三聚氰氯氨基功能化多孔硅的制备及对Pb2+的吸附研究：pH=6时，对Pb2+的去除效率为89.9%，最大吸附量253.28mg/g，属于均匀的単分子层吸附。Pb2+的吸附属于化学吸附，存在氨基基团与Pb2+的配位反应，离子交换反应以及硅羟基与Pb2+的离子反应。 （4）次磷酸功能化多孔硅对Hg2+的吸附研究：pH=2时，达最大吸附容量为112.8 mg/g，吸附剂表面磷酸基团中的P与Hg2+之间形成较强的化学吸附作用。（5）氨基功能化多孔硅对Cr6+的吸附研究：pH=2时的最大吸附容量是271.25mg/g，Cr6+的吸附符合准二级动力学模型，AAAPTS-NPSi对Cr6+具有较好的吸附再生性能。Cr6+的去除是吸附和化学耦合还原即质子化氨基的静电吸引作用，硅羟基的氢键以及氨基的还原作用。（6）马来酸酐-氨基功能化多孔硅的制备及对Cd2+的吸附研究：pH=5.5时对Cd2+的最大吸附容量为210.01mg/g，前10min吸附速率非常快，120min后逐渐达到吸附平衡。吸附符合准二级动力学方程和Freundlich模型。研究揭示了纳米金属薄膜/有机功能基团与目标金属离子之间的相互作用机理，为多孔硅基有毒重金属离子传感器的设计和制作提供理论指导。