基于碳球模板法的功能型纳米材料的合成与应用

摘要

本文以具有新颖形貌的三维纳米材料的可控合成为目标，以碳球为模板，通过改变合成方法、反应介质、模板预处理方法、添加表面活性剂等条件，制备了一系列具有花状、三维立体状、双孔结构等特殊形貌的纳米材料，主要研究内容如下：
　　①以葡萄糖为碳源，水热合成了表面具有大量亲水基团的碳球模板，考察了不同水热时间以及不同的预处理方式对碳球的影响。实验结果表明随着水热时间的增长，碳球的直径由300 nm增加到900 nm，且其生长过程遵循LaMer模型。表面酸碱预处理，可改变碳球表面亲水基团的数量，实验发现碱处理的碳球表面亲水基团增加，而用酸处理的碳球表面的亲水基团减少。
　　②以碳球作为模板，利用水热/溶剂热方法制备了两种不同形貌的空心MgAl2O4纳米球。当溶剂是乙二醇时，纳米球的制备反应属扩散控制，获得的MgAl2O4纳米球为表面光滑的空球结构，而当溶剂是水时，反应属动力学控制，制得的纳米球是表面花瓣状的空球结构，该花型空心纳米球形貌均一，并且由于相互交错的纳米片的组装使得其拥有比较高的比表面积（180 m2g-1）。以花型空心纳米 MgAl2O4为载体制备的二氧化碳甲烷催化重整镍基催化剂，表现出了优异的反应活性以及稳定性。
　　③利用Co2+处理的碳球，通过用简单水热法分别制备了具有三维海胆状和珊瑚状的Co3O4空心结构。海胆状 Co3O4由长度为2μm-4μm，宽度为10nm左右的一维纳米线组装而成，而珊瑚状Co3O4由长度为200 nm-300 nm，宽度为40nm左右的一维纳米棒组成。通过简单引入PVP可实现Co3O4从海胆形貌变化为珊瑚形貌，主要是由于PVP对Co2+有较强的络合作用，降低了Co3O4成核速率。海胆状以及珊瑚状Co3O4都存在两种孔径的分布，即比例较高的大介孔(40nm)同时存在分布较为均一的小介孔(3nm)，并且均具有较高的比表面积。两种材料作为光催化剂在光催化降解刚果红的实验中均表现出较高的活性，特别是珊瑚状 Co3O4在反应150分钟后，刚果红的降解率达到了95％，较高的反应活性主要是由于珊瑚状材料具有较高的比表面积，提高了和活性组分接触的效率。在催化剂的循环实验中，两种材料在循环使用四次后，均保持着较高的催化活性，说明这两种材料作为光催化剂有着良好的稳定性。
　　④以碳球作为模板，利用水热法制备了具有双孔结构的微米 Mn2O3立方体。由纳米颗粒组装而成的双孔结构的 Mn2O3具有尺寸均一的介孔(24nm)，表面分布着大量的大孔(700nm)和高达6μm的粒径。双孔结构的 Mn2O3在作为吸附剂吸附刚果红的实验中表现出了极高的活性，主要是由于其特殊双孔分布提高了刚果红在材料中的传质效率。除此以外，双孔结构的Mn2O3在在反应4次此后，仍有很高的吸附效率，说明双孔结构的 Mn2O3具有良好的稳定性。而足够大的尺寸使得双孔结构的 Mn2O3可以通过简单的自然沉降就可以达到分离效果，省掉了大量繁琐复杂的分离环节。

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1 绪 论

1.1 纳米材料的性质[1,5-9]

1.2 纳米材料的结构与分类[1]

1.3 纳米材料的物理化学性质

1.4 纳米材料的用途

1.5 纳米材料的制备方法

1.6 以碳球为模板制备各种纳米材料

1.7 本论文的研究思路和主要工作

2 碳球的合成及其性质的研究

2.1 实验部分

2.2 结果与讨论

2.3 本章小结

3 镁铝尖晶石纳米空心球的合成及其催化性质的研究

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3 结果与讨论

3.4本章小结

4 四氧化三钴空心结构的合成及其光催化性质的研究

4.1 引言

4.2 实验部分

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

5 双孔径分布三氧化二锰立方体的合成及其吸附性能研究

5.1 前言

5.2 实验部分

5.3结果与讨论

5.4 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

致谢

参考文献

附录

A.作者在攻读学位期间发表的论文：