基于一步法的有机功能化空心介孔二氧化硅纳米粒子的可控合成及吸附性研究

摘要

有机功能化空心介孔二氧化硅纳米粒子（O-HMSNPs）由于具有可调的物理和化学性能而受到广泛关注。然而，传统有机基二氧化硅空心材料主要通过嫁接法和共浓缩法实现有机基的嵌入，易造成表面孔阻，有机和无机组分分布不均，有机基含量较低等问题。因此，本论文提出了一种简单有效的方法，即“一步法结合模板法策略”分别合成了乙烯基和硫氰基功能化的空心介孔二氧化硅纳米粒子。并研究了O-HMSNPs的形成机制与结构特性。探讨了在刻蚀剂作用下，有机功能化二氧化硅核壳结构的刻蚀机理和刻蚀效果。进一步阐明了有机无机杂化层保护选择性刻蚀对O-HMSNPs结构和性能的影响。简单研究了不同结构特性的O-HMSNPs的吸附性能，为发展新型、高性能的有机功能化空心介孔二氧化硅纳米材料提供一定的理论指导。论文主要内容如下：
　　第一章：本章对介孔二氧化硅纳米材料的概述，有机功能化，O-HMSNPs的研究进展，以及O-HMSNPs的应用领域做了较为全面的介绍。
　　第二章：以阳离子表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）作为模板，以乙烯基三乙氧基硅烷（VTES）为前驱体，通过一步法合成了CTAB@乙烯基二氧化硅（V-SiO2）核壳粒子，记为CTAB@V-SiO2。合成机理是利用阳离子表面活性剂在碱性条件下与带负电荷 V-SiO2间的静电作用力诱导形成CTAB@V-SiO2核壳结构。然后经过萃取去除内核CTAB，最后获得乙烯基功能化空心介孔二氧化硅纳米粒子（V-HMSNPs）。研究了不同CTAB浓度，不同醇水比例等对产物形貌和孔结构的影响。并利用各种测试手段分析了材料的结构和性能。
　　第三章：以硫氰基丙基三乙氧基硅（TCPTES）为前驱体，CTAB为结构导向剂，即模板材料。在碱性条件下，通过一步法合成了CTAB@硫氰基二氧化硅（TC-SiO2）核壳粒子，记为CTAB@TC-SiO2。合成机理同样是利用阳离子表面活性剂在碱性条件下与带负电荷TC-SiO2间的静电作用力诱导形成CTAB@TC-SiO2核壳结构。然后经过萃取去除内核CTAB，从而获得硫氰基功能化空心介孔二氧化硅纳米粒子（TC-HMSNPs）。同时研究了不同CTAB浓度和不同水热反应时间对产物结构和物理化学性能的影响。
　　第四章：本章提出了一种新型的方案来制备O-HMSNPs。主要以CTAB作为致孔剂，分别以VTES和TCPTES作为前驱体，以改性的溶胶-凝胶法制备的SiO2小球为模板剂，NaCO3为刻蚀剂，在一步法基础上，通过“表面有机无机杂化层保护选择性刻蚀”策略分别制备了V-HMSNPs和TC-HMSNPs。并研究了不同有机硅烷和不同CTAB浓度对材料结构性能的影响。
　　第五章：基于乙烯基二氧化硅在碱性条件下不稳定，易分解的特性，本章提出了一种表面聚合物保护选择性刻蚀技术来合成V-HMSNPs。主要是在V-SiO2外层壳表面，与单体N-乙烯基吡咯烷酮（NVP），通过化学聚合反应，在外层壳表面形成聚乙烯吡咯烷酮（PVP）最外层壳。目的是保护里层V-SiO2壳不被刻蚀掉。此时表面部分乙烯基因聚合反应被破坏，但内部乙烯基仍然存在，最后形成一种具有新型化学结构的材料。并利用各种测试手段对空心介孔纳米粒子的结构性能进行分析和表征。
　　第六章：以CTAB为模板合成的乙烯基和硫氰基功能化的空心介孔二氧化硅纳米粒子分别充当吸附剂材料，对比研究了它们对水溶液中Cd2+的吸附能力。主要探讨了不同Cd2+浓度，不同吸附时间，不同pH值以及循环使用次数对吸附性能的影响。并通过原子吸收光谱检测有机功能化空心介孔二氧化硅纳米粒子对Cd2+的吸附量。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 介孔二氧化硅纳米材料概述

1.2 介孔二氧化硅纳米材料的有机功能化

1.3 空心介孔二氧化硅纳米材料的研究进展

1.4 一步法改性原理及研究进展

1.5 有机功能化空心介孔二氧化硅纳米材料的应用

1.6 本论文选题思路和主要创新

第2章 乙烯基功能化空心介孔二氧化硅纳米粒子的合成及性能研究

2.1引言

2.2实验部分

2.3 结果与讨论

2.4 本章小结

第3章 硫氰基功能化空心介孔二氧化硅纳米粒子的合成及性能研究

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

第4章 表面有机无机杂化层保护选择性刻蚀合成有机功能化空心介孔二氧化硅纳米粒子

4.1 引言

4.2 实验部分

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

第5章 表面聚合物保护选择性刻蚀技术制备乙烯基功能化空心介孔二氧化硅纳米粒子

5.1 引言

5.2 实验部分

5.3 结果与讨论

5.4 本章小结

第6章 有机功能化空心介孔二氧化硅纳米粒子的吸附性研究

6.1引言

6.2 实验部分

6.3 结果与讨论

6.4 本章小结

第7章 结论

致谢

参考文献

博士期间发表、待发表以及合作的研究论文