通过溶胶-凝胶工艺制备的纳米结构二氧化硅/金-纤维素-键合氨基-POSS 混合复合材料

背景

纳米技术领域是当前最热门的研究领域之一，它正在化学、物理学、生物学和材料科学领域得到发展；在这里，聚合物科学和技术显然包括在内，以及广泛的主题。这一研究领域被用于微电子学和纳米电子学，因为现代设备的临界尺寸现在小于 100 纳米 [1, 2]。因此，金属-氧化物-杂化复合材料的合成方案已在文献 [2, 3] 中得到很好的确立，其中大部分是多步金属-纳米颗粒工艺。采用原位溶胶-凝胶法合成了二氧化硅/金杂化复合材料 通过将金和二氧化硅前体水解成纤维素-多面体低聚倍半硅氧烷 (POSS) 基质 [3,4,5]。

最近通过氯金酸盐 (HAuCl4) 离子的还原合成了金纳米粒子，为此使用了不同的方法，例如涉及硼氢化钠、柠檬酸盐和其他还原剂的方法 [6, 7]。基于这种合成过程，稳定剂如硫醇、胺、膦、氧化膦和羧酸盐已被用于控制纳米颗粒的形态。此外，纤维素是目前最丰富的可再生聚合物资源材料，因其可再生性、可用性、无毒、低成本、生物降解性、热稳定性和化学稳定性而受到极大关注 [8, 9] .此外，多面体低聚倍半硅氧烷 (POSS) 包含含有经验式 RSiO1.5 的纳米结构，其中 R 可以是氢原子或有机官能团，例如烷基、亚烷基、丙烯酸酯和羟基官能团 [10, 11] .纤维素-金属-氧化物混合物的重点是在复合材料中合成均匀分散的纳米颗粒，该复合材料用于柔性电子设备、化学传感器、一次性传感器和生物传感器 [12,13,14]。合成纤维素-二元混合氧化物的溶胶-凝胶化学已在文献中广泛报道。本研究的重点是通过原位溶胶-凝胶工艺共价键合的纤维素-POSS 二氧化硅/金的合成，该工艺包括将表面改性的 PVA 和四（羟甲基）氯化鏻（THPC）参与混合复合材料。基于在四乙氧基硅烷 (TEOS) 存在下的两种化学过程，氯金酸 (HAuCl4) 和 γ-氨基丙基三乙氧基硅烷 (γ-APTES) 键合到纤维素-POSS 杂化纳米复合材料上。纤维素-POSS-二氧化硅/金杂化纳米复合材料的特征在于傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、X射线衍射（XRD）、紫外-可见光谱（UV-VIS）、扫描电子显微镜-能量色散X-射线光谱 (SEM-EDX)、SEM、Brunauer-Emmett-Teller (BET) 和透射电子显微镜 (TEM) 分析。

方法

材料和方法

具有特定聚合度(DP =4500)的棉纤维素购自Buckeye Technologies Co., (USA)。氯化锂购自 Junsei Chemical Japan。棉浆（七叶树）在氯化锂存在下进行纯化，硫酸用于合成纤维素溶液。用于额外纯化的分子筛（含有 4A°，四目至八目）来自美国新泽西州的 Acros Organics Ltd。二甲基乙酰胺 (DMAc)（无水，99.8%）购自美国 Sigma-Aldrich。根据棉-纤维素纸浆/LiCl/DMAc的质量比例为2/8/90，将棉纸浆与LiCl/无水DMAc混合。在硫酸存在下，棉浆和氯化锂用于从散装棉纤维中纯化纤维素溶液。纤维素溶液，PSS[3-(2-氨基乙基)氨基]丙基-庚基异丁基取代(POSS-胺)，四乙氧基硅烷(TEOS)，氯金酸(HAuCl4)，γ-氨基丙基三乙氧基硅烷(γ-APTES)，盐酸酸（HCl）、聚乙烯醇（PVA）和四（羟甲基）氯化鏻（THPC）购自 Aldrich（韩国）。

纤维素-POSS-胺-二氧化硅/金杂化纳米复合材料的合成

纤维素-POSS-二氧化硅/金杂化纳米复合材料使用如下两种化学方法（图 1a、b）合成：方法 1. 将化学计量的纤维素溶液 (0.5 g) 和 POSS-胺 (0.35 g) 溶解在 DMAc (50 ml) 中并在对苯二甲酸 (0.5 g) 存在下搅拌 (300 rpm) 1 小时，然后搅拌将混合物在 95°C 下再连续搅拌 2 小时，直到获得均匀的溶液。反应之后施加相同的温度，将计算出的 γ-APTES 量 (2ml) 混合并搅拌 2 小时以获得均匀溶液。然后，加入计算量的 TEOS (2 g) 和等量的 HAuCl4 (2 ml、0.002 mM 和 0.004 mM)，然后加入甲酸和蒸馏水 (10 g)，将它们混合并在 95°C 下连续搅拌 12 小时。所得溶液呈黄色透明，但随后变为淡粉色，将反应混合物转移到烧杯中并在乙醇中纯化。纯化的产物在 95°C 的烘箱中保持 12 小时，让溶剂蒸发，并再次在乙醇中纯化数次。最终产品为纤维素-POSS-二氧化硅/金杂化纳米复合材料。

(a) 溶胶-凝胶法 (b) PVA/THPC法合成纤维素-氨基POSS杂化复合材料

方法 2。 将化学计量量的纤维素溶液 (0.5 g) 和 POSS-胺 (0.35 g) 溶解在 (50 ml) DMAc 中，然后在对苯二甲酸 (0.5 g) 存在下搅拌 1 h。然后将混合物在 95°C 下再连续搅拌 (300 rpm) 2 小时，直到获得均匀的溶液。反应之后施加相同的温度，并且在热水溶液存在下将计算量的0.2g PVA转移到反应混合物中以获得均匀溶液。将计算量 (2 ml) 的 γ-APTES 添加到均质溶胶反应混合物中，然后在相同温度下分散，然后搅拌 2 小时。将所需的 2 毫升 TEOS 和 5 毫升 THPC 溶液与 2 毫升 HAuCl4（2 毫升，0.004 mM）一起加入，然后将甲酸减少 5 毫升并搅拌 12 小时。此外，将反应混合物转移到烧杯中，在乙醇中纯化，并在 95°C 的烘箱中保持 12 小时。最后，将得到的纤维素-POSS-二氧化硅/金杂化纳米复合材料收集在溶胶-凝胶瓶中，以避免表征过程前的水分含量。

测量和表征

傅立叶变换红外光谱 (FT-IR) 分析

纤维素-POSS-二氧化硅/金杂化复合材料的 FT-IR 光谱是通过使用来自 Digilab（美国剑桥）的 Brucker、IF5-859 光谱仪与 KBr 分束器和探测器在 8 cm ^-1 分辨率。

拉曼光谱分析（拉曼）

使用 RM200 共焦拉曼光谱显微镜从 100 到 400 cm ^-1 进行拉曼光谱分析 室温，露天，波长为 580-600 nm 的 He-Ne 激光束。

X 射线衍射 (XRD) 分析

用 Riguku co D/max X 射线衍射仪记录混合复合材料的广角 XRD 图案，其中 Cu Kα 辐射。管电流和电压分别为 300 mA 和 40 kV，以及来自 2θ 的数据 5 到 80°C 之间的角区域。

紫外可见光谱 (UV-VIS) 和光致发光光谱分析

紫外可见分光光度计 UV6000 用于分析混合复合样品的吸收光谱。光致发光 (PL) 光谱结果是在室温下使用 SPEC-1403 PL 光谱仪（HORIBA Ltd.，Tokyo，Japan）以 He-Cd 激光器（325 nm）作为激发源进行的。 He-Cd 激光的功率为 55 mW，焦斑直径为 1 mm。样品表面的功率密度约为 7 W/cm ² .

扫描电子显微镜（SEM 和 EDX）

收集的混合复合材料通过SEM（Hitachi S-4200，Hitachi Ltd.，Tokyo，Japan）进行表征，并使用AN-ISIS 310进行EDX分析。

透射电子显微镜 (TEM)

使用100CX电子显微镜（JEOL，Ltd.，Japan）获得混合复合材料的透射电子显微镜结果。

热特性（热重分析 (TGA) 和差示扫描量热法 (DSC)）

TGA 使用 TA Instruments 2050 Universal V4.1D 进行。重 9.7 毫克的陶瓷混合样品以 10°C/分钟的速度加热到 1000°C。杂化复合材料的DSC分析也在TA Instruments 2050 Universal V4.1D上进行。

Brunauer-Emmett-Teller (BET) 分析

根据Brunauer-Emmett-Teller（BET）分析（BELmax 00131设备，BELSORP，Tokyo，Japan）计算杂化纳米复合材料的比表面积和平均孔体积。

结果与讨论

纤维素-POSS-二氧化硅/金纳米粒子复合材料的形成

纤维素的大分子结构呈现出多个羟基，在对苯二甲酸的存在下，POSS-胺可以接枝到纤维素大分子结构中。作为交联剂，酸化合物能够在纤维素和 POSS-NH2 杂化化合物之间形成键。纤维素和 POSS-NH2 的示意图分别显示在图 1a、b 中。在接枝反应中，POSS 颗粒分散在纤维素-主体基质中并与纤维素分子结合，从而形成纤维素-POSS 杂化物。此外，二氧化硅/金纳米粒子通过溶胶-凝胶过程的结合如下。二氧化硅/金纳米粒子的最初合成是一个四步过程，其中首先使用 Stöber 方法生长单分散二氧化硅纳米粒子，以生产纳米粒子的球形介电核 [13]。 Stöber 方法通过硅酸烷基酯的水解和随后的硅酸在酸或碱催化剂中的缩聚来生产球形二氧化硅纳米粒子。在第二步中，二氧化硅纳米粒子的表面通过吸附 γ-APTES 进行功能化，其胺尾从纳米粒子的表面突出。在第三步中，将金胶体溶液加入到所得二氧化硅溶液中。根据 phonthammachai 和 Jun-hyun Kim 的报告，金胶体是通过甲酸和碱性 THPC 还原 HAuCl4 产生的 [13,14,15]。金纳米颗粒通过有机氨基硅烷基团结合，产生二氧化硅-杂化纳米颗粒复合材料。最后的还原过程用于在甲酸的存在下生产具有均匀金纳米壳层的二氧化硅纳米粒子。在还原过程中，形成的与二氧化硅核共价键合的二氧化硅/金颗粒充当氯金酸和还原剂的老化混合物的成核位点。 方法一 . FT-IR光谱用于研究溶胶-凝胶过程中氨基-POSS键合的纤维素-杂化纳米复合材料在对苯二甲酸存在下的化学结构。

就溶胶-凝胶过程而言，纤维素杂化物的 FT-IR 光谱（图 2a）显示在 3407 cm ^-1 处的谱带 (N-H) 键合和未反应的 OH 基团来自纤维素，以及 2945 cm ^-1 (CH,CH2 组), 1672 cm ⁻¹ (C=O,CO)，1369 cm ⁻¹ (CO-NH)，1465 cm ⁻¹ （来自对苯二甲酸的苯基），1126 cm ^-1 (Si-O-Si,Si-O-Au), 1053 cm ^-1 (Si–O–C), 783–745 cm ^-1 （C–H 弯曲）和 453 cm ⁻¹ （Au-O 上浆）纤维素-POSS 键合的二氧化硅/金杂化纳米复合材料的频率如图 2b 所示。 方法二 .在 PVA 和 THPC 存在下显示了纤维素-POSS-二氧化硅/金杂化纳米复合材料的 FT-IR 光谱分析（图 2b）和拉曼光谱值（图 2c、d）。在这种方法中，纤维素杂化物在 3407 cm ^-1 (N-H) 键合和未反应的 (OH) 基团来自纤维素，以及 2952 cm ^-1 (CH,CH2 组), 1679 cm ⁻¹ (C=O,CO)，1369 cm ⁻¹ (CO–NH), 1421–1465 cm ⁻¹ （来自对苯二甲酸的苯基），1126 cm ^-1 (Si-O-Si,Si-O-Au), 1049 cm ^-1 (Si–O–C), 777–729 cm ⁻¹ （C–H 弯曲）和 457 cm ⁻¹ (Au-O淀粉化)频率几乎与纤维素-POSS键合的二氧化硅/金杂化纳米复合材料的键合行为相似。

(a-b) FTIR (c-d) Raman (e-f) 纤维素-氨基POSS杂化复合材料的XRD结果

X 射线衍射 (XRD) 分析

通过溶胶-凝胶法合成纤维素-POSS-二氧化硅/金杂化复合材料的 XRD 研究如图 2e 所示。结果表明 2θ 的值 =22.56°、25.14°、27.90°、30.08°（较低强度）用于二氧化硅/金形成，以及 8°、17° 和 21° 的板峰用于纤维素-POSS 基质的再生。 XRD 峰值表示面心立方 (fcc) 金结构 (JCPDS 04-0784) 的平面，这表示纳米颗粒复合材料中二氧化硅/金纳米混合核/壳生长的结晶行为。二氧化硅/金核/壳混合纳米复合材料显示出两相，即金的 fcc 和四方相。这表明包覆的金纳米粒子在溶胶-凝胶过程中在较低温度下原位诱导二氧化硅结晶并控制形态 [13,14,15]。因此，金属破坏了无定形网络，降低了关于结晶的动力学障碍。 方法二。 图 2f 显示了使用 PVA 和 THPC 合成的纤维素-POSS-二氧化硅/金杂化材料的 XRD 研究。纤维素-POSS的再生峰值为2θ =7.96°。 2θ的其他峰值 =17.34°、22.54°、25.12°和27.88°（尖峰）（二氧化硅/金形成）代表混合纳米复合材料的结晶行为。

紫外-可见光谱 (UV-VIS) 分析

纤维素-POSS-二氧化硅/金杂化纳米复合材料通过以下两种方法合成：（1）原位溶胶-凝胶法和（2）表面改性PVA-THPC法。根据这种根据不同温度过程的化学改性方案，在紫外光谱分析中研究了混合纳米复合材料的混浊、透明和半透明行为的形成。混合纳米复合材料在光学应用方面的透明特性表明，二氧化硅/金混合纳米复合材料的高光学性能是由于溶胶-凝胶过程中出现的透明性和表面改性特性。关于原位溶胶-凝胶过程的纤维素-POSS-二氧化硅/金杂化纳米复合材料的紫外线透射率结果如图 3a、b 所示。含有和不含偶联剂的混合复合材料的形成用于通过交联过程表征纤维素-POSS 二氧化硅的表面。杂化复合材料显示出均匀复合形态的核/壳纳米粒子，这是由于烷氧基硅烷并高度依赖于温度，因此随着温度的升高，观察到更快的凝胶化和更大的粒径。在 50 到 70°C 的低温下，由于均匀性下降到 l，观察到 TEOS 的凝胶化速率更长，并且在水解过程中由于纳米粒子的生长观察到混合纳米复合材料的金前驱体；然而，团聚会随着工艺温度的升高而消失，因此混合溶胶溶液在 90 到 95°C 之间变得均匀或透明。结果表明，动力学控制可以在化学过程中对杂化纳米复合材料的光学透明度的形成起到重要作用。混合形成最初是不混溶的、相分离的或透明的，这取决于溶胶-凝胶过程反应中的温度和pH值的控制。纤维素-POSS-二氧化硅/金杂化物的合成在具有不同摩尔浓度的反应混合物中通过溶胶-凝胶过程在酸催化剂的存在下加热至 90 至 95°C。随着酸催化剂和杂化纳米复合材料用量的增加，水解度再次增加，从而在没有任何相分离的情况下控制高均匀性。金纳米粒子的二氧化硅涂层使用经典的 Stöber 方法完成，然后应用原硅酸四乙酯 (TEOS)，从而在金表面形成高度支化和中孔的硅氧烷聚合物。可以控制反应，从而根据反应参数调整金表面二氧化硅层的厚度[6, 7, 13,14,15]

(a-b) 纤维素-氨基POSS杂化复合材料的UV (c-d) PL光谱结果

光致发光 (PL) 属性

图 3c、d 显示了根据溶胶-凝胶工艺的纤维素-POSS-二氧化硅/金杂化纳米复合材料的 PL 光谱。在该过程中，混合纳米复合材料中存在不同量的二氧化硅和金纳米颗粒（分别为 0.002 和 0.004 M）。 PL 光谱结果显示基波吸收的红带区域出现尖峰，中心位于 441.7、451、474 和 497 nm 的峰表示基于二氧化硅的电子。 PL 光谱的另一个发射显示了 2.3 和 2.80 eV (524 nm) 之间的带隙，其中存在不同尺寸的金纳米颗粒的宽而强烈的峰。较小的尺寸表明这些带的起源来自激发激光并穿透金纳米粒子的多孔层，并且在先前的研究中已经详细讨论了光学耦合特性[13,14,15]。因此金微晶尺寸变小，PL 特性的强度变得更高更强。还注意到等离子体峰随着粒径的减小呈现蓝移。观察到的等离子体吸收峰位置的蓝移是由于金纳米粒子的量子尺寸效应。

SEM、SEM-EDX 和 TEM 分析

SEM、SEM-EDX 和 TEM（图 4、5 和 6）结果显示了通过共价交联溶胶-凝胶工艺获得的纤维素-POSS-二氧化硅/金杂化纳米复合材料的表面形态。图 4、5 和 6 显示了在不同放大倍数下拍摄的 SEM 和 SEM-EDX 显微照片。 SEM结果表明纤维素-POSS-二氧化硅/金杂化纳米复合材料与偶联剂的不同放大倍数表明杂化纳米复合材料是透明的，可控的粒径是由于核/壳二氧化硅/金纳米粒子的形成.同时，在没有偶联剂的情况下，颗粒团聚和混合纳米复合材料的形成具有更大的尺寸并表现出异质结构。单分散的 Au-SiO2 胶体是通过直接 Stöber 合成程序成功制备的，然后是溶胶-凝胶法（0.02 和 0.04 mM）。对于这种方法，在偶联剂和 TEOS 和金纳米颗粒浓度的存在下，二氧化硅壳厚度范围为数十至数百纳米 [6, 7, 13,14,15]。

(a-c) 纤维素-氨基POSS杂化复合材料的SEM形貌

溶胶-凝胶法对纤维素-氨基POSS杂化复合材料的SEM-EDX图谱分析

PVA/THPC法制备纤维素-氨基POSS杂化复合材料的SEM-EDX图谱

在不同二氧化硅壳厚度的 Au-SiO2 胶体存在的情况下，在涂层之前记录 TEM（图 7a-f）结果，根据 TEM 结果，Au 核的直径为 50 nm随着 TEOS 浓度的变化，二氧化硅壳的厚度可以在 20 到 100 nm 之间变化。从 HR-TEM（图 8a-f 和 9a-f）结果来看，与之前对复合材料中混合二氧化硅纳米颗粒的相关研究结果不同的观察结果变得明显。在第一阶段，通过使用更高的 TEOS 浓度，只有一部分金纳米颗粒表面似乎被 10-20 nm 厚的无定形二氧化硅覆盖，而更完整的二氧化硅壳的厚度为形成了 20 到 40 nm。此外，核/壳胶体表现出金核的原始形状，并且在混合样品中尺寸变化相对较大。最后，当 TEOS 浓度进一步增加时，二氧化硅壳变厚至 50 到 100 nm 之间的尺寸，并观察到更均匀和光滑的表面 [5,6,7,13,14,15]。 TEM 显微照片（图 7f-h）显示，在存在表面改性剂的情况下，在金纳米颗粒涂层之前，500 nm 未涂层二氧化硅球的范围是光滑且单分散的，这是为了控制表面改性剂的形态。金在 2-4 纳米。这可能是因为在有机/无机颗粒之间通过偶联剂存在强内聚相互作用的情况下，观察到二氧化硅/金混合复合材料中纳米颗粒的最低粒径。因此，纤维素-POSS-二氧化硅/金杂化纳米复合材料均匀地分散在纳米粒子中并形成杂化纳米结构。这可能是通过溶胶-凝胶工艺通过表面形态的分子级分散，以及在 PVA 和 THPC 存在下表面改性的二氧化硅/金。除了实验部分讨论的氨基丙基改性二氧化硅颗粒表面上的金纳米颗粒外，还使用金的胶体溶液将金纳米颗粒（5-10 nm）沉积在 500 -nm 二氧化硅纳米粒子。这种还原过程导致在改性二氧化硅表面同时形成金纳米粒子，这表明金纳米粒子沉积和金纳米粒子的均匀分布。因此，Au-纳米核壳的均匀性反映在改性二氧化硅球体上 Au 纳米颗粒的规则分布，在金纳米颗粒（5-10 nm）直接沉积的情况下更有效，其中使用胶体金溶液（图 8a-f 和 9a-f。在这种情况下，壳由单个金纳米粒子组成。

纤维素-氨基POSS杂化复合材料(a-c)溶胶-凝胶工艺(d-h)PVA/THPC工艺TEM形貌

纤维素-氨基POSS杂化复合材料(a-e)溶胶-凝胶过程的FE-TEM形貌(f)SAED模式

纤维素-氨基POSS杂化复合材料（a-e）PVA/THPC（f）SAED图案的FE-TEM形貌

热重分析 (TGA)

纤维素-POSS-二氧化硅/金杂化纳米复合材料的 TGA 结果如图 10a、b 所示。混合纳米复合材料样品的热分析在氮气流下以 10°C/min 的加热速率进行。对于 TGA 结果，使用 10 到 1000°C 的温度，观察到的重量损失出现在三个阶段，如下所示：降解的第一阶段是从 85 到 100°C，降解的第二阶段是从 100 到450 °C，第三次降解是从 450 到 999 °C。硅烷醇和水分子的数量（85 到 100°C）对应于混合纳米复合材料中释放的水分子，这些水分子存在于颗粒的外球形表面以及内孔壁上。球形二氧化硅的表面由极少部分游离硅烷醇、大量氢键硅烷醇和吸附的水分子组成。对于纤维素-POSS 杂化纳米复合材料，在 100 到 450°C 之间观察到纤维素杂化材料的强烈热降解。降解温度的升高表明强烈的有机/无机相相互作用极大地影响了热阻。热分解曲线的第三步表明与添加无机成分的纤维素-POSS-二氧化硅/金的对应关系。第三次降解显示从 530 到 999°C 的损失和 998.5°C 时 44.45% 的炭残留。因此，根据热稳定性，纤维素-POSS杂化纳米复合材料中无机部分的含量增加。

(a-b) 纤维素-氨基POSS杂化复合材料的TGA (c-d) DSC结果

图 10b 显示了混合纳米复合材料在 PVA 和 THPC 存在下的热性能，其中二氧化硅/金混合体在 999°C 下显示出 34.5% 的炭残留物。与之前的报告 [13,14,15,16] 相比，关于二氧化硅/金杂化物的两种方法的 TGA 显示出更高的热稳定性。 Differential scanning calorimetry (DSC) is one of the important thermal-characteristic properties regarding the cellulose-POSS-silica/gold hybrid composites. The DSC results are indicative of the pure cellulose and the am-POSS-grafted cellulose hybrids [15, 16]. The DSC plots for the am-POSS-grafted cellulose hybrids respectively show the first endothermic peaks at the temperatures of 80.47 and 78.29 °C. These endothermic peaks (Fig. 10c, d) are probably associated with the removal of the water from the am-POSS-grafted cellulose materials that is due to the decrease of the amino-POSS amount. The cellulose shows the second endothermic peak at 358.92 °C. The endothermic change that is shown in the DSC plot for the cellulose is associated with the decomposition processes that may occur within the chemical-heating process. The cellulose-POSS hybrid nanocomposites respectively show the second endothermic peaks at 366 and 364 °C. The thermal properties of the am-POSS-grafted cellulose are different from those of the pure-cellulose polymer because of the difference between the organic/inorganic hybrids. The endothermic peaks are estimated according to the interaction between the organic components and the inorganic components. The DSC plots of the am-POSS-bonded cellulose hybrids also indicate that the smallness of the two endothermic peaks is due to the interaction of the organic/inorganic hybrids. In addition, the cellulose-POSS-grafted silica-gold hybrid results improve the Tg, and the melting temperature increases due to an interfacial bonding between the two components [17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28].

BET Analysis of Cellulose-POSS-Silica/Gold Hybrid Nanocomposites

The nitrogen adsorption/desorption isotherms (Fig. 11a–d) of the porous gold/silica nanocomposite samples after the calcinations results. Because of the hybrid samples, the specific surface area and the micropore volume of the cellulose-POSS-silica/gold nanocomposites are analyzed using the BET analysis, as shown in Fig. 8a–d. The results of the hybrid nanocomposites show the values of the specific surface area and the micropore volume. The BET results of the hybrid nanocomposites that are calculated using the surface analysis are as follows:single-point surface area of P/Po = 15.0295 (m/g), BET surface area = 16.644 (m/g), BJH-adsorption cumulative surface area of pores = 16.61 (m/g), BJH-desorption cumulative surface area of pores = 20.695 (m/g), adsorption of average pore width (4V/A) by BET = 288.51, BJH-adsorption average pore diameter (4V/A) = 281.99, and BJH-desorption average pore diameter (4V/A) = 231.37. In addition, the BET results of PVA/THPC process via silica/gold hybrid composite are shown in Fig. 12a–d. From these results, the single-point surface area at P/Po = 30.7536 (m/g), BET surface area = 34.1802 (m/g), BJH-adsorption cumulative surface area of pores = 31.148 (m/g), BJH-desorption cumulative surface area of pores = 35.8813 (m/g), adsorption average pore width (4V/A) = 218.04, BJH-adsorption average pore diameter (4V/A) = 230.75, and BJH-desorption average pore diameter (4V/A) = 206.33. Therefore, the comparative surface area and cumulative surface increases in the case of PVA/THPC via silica/gold hybrid composite.

(a-d) BET results of cellulose-amino POSS hybrid composite by sol-gel process

(a-d) BET results of cellulose-amino POSS hybrid composite by PVA/THPC process

Conclusions

In this paper, cellulose-POSS-silica/gold hybrid nanocomposites are synthesized using an in situ sol-gel process in the presence of γ-APTES, PVA, and THPC. Both of the samples show the homogeneous formation of cellulose-POSS-silica/gold hybrid nanocomposites in the stable colloids. From the colloid nanoparticles, the uniform core/shell consisting of gold nanoparticles is formed on the surface of γ-aminopropyl-modified silica/gold hybrid composites. The first method uses the colloidal gold solution to form the shell on the modified silica core in the hybrid composites. The second method involves the formation and simultaneous deposition of silica/gold nanoparticles in the presence of PVA and THPC, whereby the HAuCl4 is reduced with formaldehyde. A comparison of both deposition methods indicates that the direct deposition of colloidal gold on the modified silica particles affords a more-uniform and homogeneous distribution of the Au nanoparticles; therefore, the deposition can be easily controlled to achieve the desired size and concentration of the gold nanoparticles on the silica surface in the presence of a coupling agent and surface modifiers. The homogeneity of the hybrid nanocomposites is influenced by the hydrolysis rate and the condensation reaction of the alkoxysilanes, which plays an important role in the sol-gel process; this might be due to the amounts of hydrochloric acid and the tetraethoxysilane/gold precursors in the presence of γ-APTES. The hybrid nanocomposites indicate that an optical transparency and a thermal stability are achieved compared to the pristine cellulose-POSS materials. The XRD results show crystalline behavior in the low-temperature PVA/THPC via silica/gold hybrid nanocomposites. The hybrid nanocomposites represent the achievement of thermal stability, PL behavior, surface morphology, and a controlled particle size via a coupling agent or surface modifiers.

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