Nanokomposit Hibrid Selulosa-POSS-Silika/Emas Inti-Kulit: Sintesis Sol-Gel One-Step dan Properti Multifungsi
Abstrak
Kami menyajikan rute sol-gel one-step yang efisien untuk memproduksi hibrid selulosa–poliheksaedra oligomersilokosa (POSS) yang mengandung inti silika dilapisi dengan lapisan emas seragam. Proses ini secara simultan menghidrolisis ortosilikat tetraetil (TEOS) dan mengurangi kloroaurat (HAuCl₄) dalam kehadiran asam formiat, sementara γ-aminopropil trietoksisilane (γ-APTES) menggraft POSS yang difungsionalkan amina onto selulosa. Dua varian dikaji: (1) urutan sol-gel konvensional dan (2) pendekatan yang dimediasi PVA/THPC. Karakterisasi dengan FT-IR, Raman, XRD, UV-VIS, fotoluminesensi, SEM/EDS, TEM, TGA/DSC, dan BET mengonfirmasi pembentukan inti-kulit yang berhasil, disperansi seragam, transparansi optik yang tinggi, dan stabilitas termal yang ditingkatkan.
Latar Belakang
Persilangan nanoteknologi dengan ilmu polim telah mendorong pengembangan bahan hibrid untuk elektronik fleksibel, sensor, dan perangkat kompatibel biologis. Nanopartikel inti-kulit silika–emas menawarkan properti optik, termal, dan katalitik yang dapat diatur, namun sintesis multitahap tradisional sangat melelahkan. Dengan mengintegrasikan selulosa, polim terbarukan dan terurai biologis, dengan POSS, kami menciptakan matriks yang kuat yang menstabilkan nanoparticle dan memungkinkan produksi skala besar. Proses sol-gel menyediakan rute fasa larutan suhu rendah yang melestarikan grup fungsional selulosa sambil menggraft jaringan anorganik.
Metode
Bahan
Selulosa (DP = 4500) difurnir dengan LiCl/DMAc, dan reagen (TEOS, HAuCl₄, γ-APTES, THPC, PVA) diperoleh dari pemasok standar. Semua reaksi dilakukan dalam nitrogen untuk mencegah oksidasi.
Sintesis
Metode 1 (Sol-Gel): 0,5 g selulosa dan 0,35 g POSS-amin dilarutkan dalam 50 mL DMAc, diaduk pada 95 °C selama 3 jam, kemudian 2 mL γ-APTES dan 2 g TEOS ditambahkan. HAuCl₄ (0,002–0,004 M) dan 10 g air/asam formiat diperkenalkan, dan campuran direfluks selama 12 jam. Produk dicuci dengan etanol dan dikeringkan pada 95 °C.
Metode 2 (PVA/THPC): Langkah awal yang sama diikuti, dengan 0,2 g PVA dan 5 mL THPC ditambahkan setelah 2 jam. Campuran direfluks selama 12 jam, difurnir, dan dikeringkan dengan cara yang sama.
Karakterisasi
FT-IR (KBr, 8 cm⁻¹), Raman (He-Ne, 580–600 nm), XRD (Cu Kα), UV-VIS (λ = 200–800 nm), PL (He-Cd, 325 nm), SEM/EDS (Hitachi S-4200), TEM (JEOL 100CX), TGA/DSC (TA 2050, 10 °C/min), dan BET (BELSORP) digunakan untuk menelusuri struktur kimia, morfologi, kristalinitas, perilaku optik, dan luas permukaan.
Hasil dan Diskusi
Konfirmasi Struktural
Spektrum FT-IR menunjukkan puncak karakteristik Si-O-Si, Si-O-Au, dan amida, mengonfirmasi grafting yang berhasil dan pembentukan inti-kulit. Pola XRD menunjukkan puncak emas fcc pada 2θ = 22,56°, 25,14°, 27,90°, dan 30,08°, bersama dengan sinyal selulosa-POSS, yang mengindikasikan kulit emas kristal di sekitar inti silika.
Properti Optik
Transmitansi UV-VIS menunjukkan transparansi tinggi di seluruh rentang cahaya terlihat untuk kedua metode, dengan puncak resonansi plasmon permukaan di sekitar 520 nm. Spektrum PL menunjukkan puncak emisi yang bergeser merah (441–497 nm) dan jarak energi 2,3–2,8 eV, yang disebabkan oleh efek ukuran kuantum dari kulit emas.
Morfologi
Citra SEM mengungkapkan nanopartikel monodispers, seragam dengan aglomerasi yang berkurang dalam metode PVA/THPC. TEM mengonfirmasi diameter inti ~50 nm dengan ketebalan kulit silika yang dapat diatur dari 20 hingga 100 nm, tergantung pada konsentrasi TEOS.
Stabilitas Termal
Kurva TGA menampilkan tiga tahap degradasi: 85–100 °C (air terserap), 100–450 °C (dekomposisi selulosa), dan 450–1000 °C (residu anorganik). Hasil arang mencapai 44,5% (Metode 1) dan 34,5% (Metode 2), menunjukkan ketahanan termal yang ditingkatkan.
Luas Permukaan
Analisis BET menghasilkan luas permukaan 16,6 m²/g (Metode 1) dan 34,2 m²/g (Metode 2), dengan volume mikropori yang sesuai yang menunjukkan porositas yang ditingkatkan karena perawatan PVA/THPC.
Kesimpulan
Kedua pendekatan sol-gel berhasil menghasilkan hibrid selulosa-POSS-silika/emas dengan arsitektur inti-kulit homogen, transparansi optik, dan stabilitas termal yang unggul. Metode PVA/THPC memberikan kontrol yang lebih halus atas ketebalan kulit dan luas permukaan, menawarkan platform serbaguna untuk aplikasi elektronik fleksibel generasi berikutnya dan sensing bio.
