多壳中空结构的分级孔微纳米材料的可控合成及其构效关系

摘要

进入21世纪以来，材料工业作为现代工业的支柱性产业之一，已经取得了长足发展并促进社会的高速发展。中空核壳材料，特别是多壳中空结构的微纳米材料，因其具有大的比表面积、丰富的活性位点、低密度、短的传质路径以及广阔的空腔结构等优点，使其在电化学、生物医药及环境保护等领域有着重要发展并广泛引起人们的关注。与此同时，分级孔材料，即一类在微纳米材料表面具有不同分级孔道结构（具有两种或两种以上孔道结构，如小孔-介孔、介孔-大孔等）的材料，也逐渐引起大家的关注。复杂的孔道结构赋予材料不仅更多的活性位点和更大的比表面积，而且也大大提高了传质效率并降低了传质阻力。基于此，既具有多壳中空结构又具有分级孔结构的微纳米材料具有良好的发展应用前景。
　　本论文基于多壳中空结构的分级孔材料的研究现状，运用牺牲模板法成功地可控合成了具有多壳中空结构的分级孔微纳米材料。通过调节反应条件样品壳层数可控。利用X-射线衍射、场发射扫描电子显微镜、透射电子显微镜等手段对样品的化学组分、形貌结构以及应用性能进行分析表征。并对样品的形成机理进行了研究讨论，为指导合成更多的具有多壳中空结构的分级孔微纳米材料提供坚实的理论基础和实验依据。性能研究分析了这种复合结构微纳米材料在电化学及环境保护领域的应用，初步探讨了其构效关系。为进一步优化分级孔材料的多壳中空结构进而提高其性能提供了可靠的实验依据。
　　本论文主要开展以下几项工作:
　　(1)、可控合成具有多壳中空结构的分级孔二氧化硅微纳米材料，并研究其形成机理和电化学性能。利用牺牲模板法合成单层、双层及三层壳中空结构的分级孔二氧化硅微球，样品的壳层数能够通过前驱体的负载量控制。通过对样品的分析表征，研究了样品的形貌结构及化学组成;并对样品的形成机理进一步研究，发现前驱体在模板上的吸附深度对样品形貌起到关键性作用。以样品作为锂离子电池负极材料，研究其电化学性能。结果表明，随着二氧化硅的壳层数的增加，其充放比容量依次增加。尤其是对于具有三层壳中空结构的分级孔二氧化硅微球，它不但具有高的充放比容量又具有良好的循环稳定性。
　　(2)、可控合成具有多壳中空结构的分级孔氧化镧微纳米材料，并研究其形成机理和磷的移除性能。利用牺牲模板法合成具有单层、双层及三层壳中空结构的分级孔氧化镧微球，样品的壳层数能够通过前驱体的负载量及煅烧梯度控制。通过对样品的分析表征，研究了样品的形貌结构及化学组成;又对样品的形成机理进行探究，提出了分段受热原理。通过该机理的研究分析，前驱体的吸附深度及模板的分段受热共同影响最终样品的形貌结构。特别是后者，更为缓慢的核壳受热分离过程使壳层具有更好的机械性能、良好的结构完整性和稳定性。它也使纳米颗粒堆积更为复杂进而导致样品具有更丰富的活性位点。基于此，我们提出的分段受热机理为合成具有相似结构的材料提供理论依据。
　　(3)、具有三层壳中空结构的分级孔氧化镧微纳米材料（记为THLM）作为污水处理中磷的吸附剂，研究其磷的移除性能。结果表明，样品THLM对磷具有大的单分子层吸附能力（最大吸附量达到109.02 mg P/g），并且随着吸附剂用量的增加其吸附性能逐级增加。同时，THLM与磷之间的吸附主要为化学作用及颗粒间的内扩散作用，其次THLM与磷间的吸附机理（即两者间的吸附作用关系）主要为配体转换机制。除此之外，THLM具有良好的酸碱适应性及循环吸附性能。基于以上研究，THLM作为磷的吸附材料用于污水处理具有良好的应用前景。
　　(4)、初步探讨了可控合成具有多壳中空结构的分级孔羟基磷灰石和氧化锆微纳米材料。利用牺牲模板法合成单层、双层及三层壳中空结构的分级孔羟基磷灰石和氧化锆微球，其样品的壳层数能够通过模板用量控制。通过对样品的分析表征，研究了样品的形貌结构及化学组成，并认识到前驱体在吸附于模板前的离子化作用对样品形貌起到关键性作用。特别是羟基磷灰石的合成研究，对于合成类似结构的复杂磷酸盐具有指导意义。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 核壳中空结构微纳米材料的研究意义及现状

1．2 核壳中空结构微纳米材料的合成方法

1．2．1 模板法

1．2．2 无模板法

1．3 核壳中空结构微纳米材料的应用

1．3．1 锂离子电池

1．3．2 催化

1．3．3 药物运输

1．4 论文的研究背景、研究内容及创新点

1．4．1 研究背景

1．4．2 研究内容

1．4．3 论文创新点

第二章 实验部分

2．1 实验药品

2．2 实验仪器

2．3 样品表征方法

2．3．5 X射线光电子能谱(XPS)

2．3．6 能量分散谱(EDS)

2．3．7 比表面积分析(BET)

第三章 具有多壳中空结构的分级孔二氧化硅微纳米球的可控合成及其电化学性能

3．1 前言

3．2 样品合成及表征

3．2．1 碳球模板的合成与处理

3．2．2 具有多壳中空结构的分级孔二氧化硅的合成

3．2．3 样品的表征

3．3 结果与讨论

3．3．1 具有多壳中空结构的分级孔二氧化硅的形成过程

3．3．2 FESEM与TEM表征结果分析

3．3．3 XRD与FT-IR表征结果分析

3．3．4 FESEM-EDS表征结果分析

3．3．5 BET表征结果分析

3．3．6 电化学性能测试

3．3．7 XPS表征结果分析

3．4 具有多壳中空结构的分级孔二氧化硅的形成机理

3．5 小结

第四章 具有多壳中空结构的分级孔氧化镧微纳米球的可控合成及其形成机理

4．1 前言

4．2 样品合成及表征

4．2．1 碳球模板的合成与处理

4．2．2 具有多壳中空结构的分级孔氧化镧的合成

4．2．3 样品的表征

4．3 结果与讨论

4．3．1 具有多壳中空结构的分级孔氧化镧的形成过程

4．3．2 FESEM与TEM表征结果分析

4．3．3 XRD表征结果分析

4．3．4 FESEM-EDS表征结果分析

4．3．5 XPS表征结果分析

4．3．6 BET表征结果分析

4．4 具有多壳中空结构的分级孔氧化镧的形成机理

4．5 小结

第五章 具有三层壳中空结构的分级孔氧化镧微纳米球的磷的移除性能

5．1 前言

5．2 样品合成及表征

5．2．1 磷钼蓝法对磷溶液中磷的测定

5．2．2 磷的标准工作曲线的测定

5．2．3 样品THLM对不同磷浓度溶液中磷的吸附

5．2．4 样品THLM在不同时间下对磷溶液中的磷的吸附

5．2．5 不同剂量的样品THLM对磷溶液中的磷的吸附

5．2．6 样品THLM在不同pH下对磷溶液中的磷的吸附

5．2．7 样品THLM对磷的吸附脱附循环曲线

5．2．8 样品的表征

5．3．1 磷的标准工作曲线

5．3．2 样品THLM对不同浓度的磷溶液的吸附及其最大吸附量

5．3．3 样品THLM在不同时间下对磷溶液的吸附过程分析

5．3．4 样品THLM的剂量对磷溶液中磷的吸附

5．3．5 样品THLM对不同pH磷溶液中磷的吸附

5．3．6 样品THLM对磷溶液中磷吸附后形貌和化学组成结构的变化

5．3．7 样品THLM对磷的吸附脱附循环曲线

5．4 小结

第六章 具有多壳中空结构的分级孔羟基磷灰石及氧化锆微纳米球的初步可控合成

6．1 前言

6．2 样品合成及表征

6．2．1 碳球模板的合成与处理

6．2．2 具有多壳中空结构的羟基磷灰石的合成

6．2．3 具有多壳中空结构的氧化锆的合成

6．2．4 样品的表征

6．3 结果与讨论

6．3．1 FESEM与TEM表征结果分析

6．3．2 XRD表征结果分析

6．4 小结

第七章 结论与展望

参考文献

致谢

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