单分散二氧化硅胶体颗粒的制备及其应用研究

摘要

近年来，胶体晶体引起化学家和物理学家的共同关注。胶体晶体所具有的周期性结构更使其在光学研究领域具有特殊意义，被称为“光子晶体”(photonic crystals)，可将其应用于光催化方面，更是一类有着良好应用前景的光电功能材料。胶体颗粒自组装法是制备具有光子禁带或者近红外到可见光波段的大面积光子晶体的有效途径之一。
　　 制备出粒径尺寸控制精确的单分散胶体颗粒是构筑高度有序的二维和三维光子晶体的前提，简单可重复的单分散胶体颗粒的制备越来越引起人们的关注。本研究对制备SiO2颗粒的Stober法进行改进，采用种子长大法制备出了单分散的SiO2颗粒。并对单分散的SiO2硅胶体颗粒的成核及生长机理进行了研究。胶体颗粒的表面性质可以经过硅烷偶联剂3-甲基丙烯酰氧基-丙基-三甲氧基硅烷的烃基的化学接枝来改变。发现了一种简单的对表面改性后的SiO2胶体颗粒自组装的方法，表面化学改性的SiO2胶体颗粒在乙醇溶液中进行了三维opal光子晶体的自组装。系统地研究了SiO2颗粒发生自组装的影响因素。通过扫描电镜(SEM)观察和傅立叶变换红外光谱仪(FTIR)证明了SiO2颗粒的粒径尺寸、单分散性、球形度以及其微结构特征。通过SEM和紫外-可见分光光度计(UV-Vis)对所合成的SiO2 opal结构进行了表征，结果表明SiO2颗粒自组装后具有良好的光子晶体特性。
　　 二氧化钛(TiO2)有着广泛的应用。但由于TiO2粉末具有很高的比表面积和热力学不稳定特性，随着温度升高，TiO2容易发生相转变和晶体长大而失去其高比表面积特性。本研究以溶胶-凝胶法制备的SiO2胶体颗粒为核心，以TiO2为壳制备了具有高比表面积的SiO2/TiO2复合颗粒。并通过SEM和FTIR分析SiO2/TiO2核壳复合颗粒的表面形貌及结构特征。而且通过溶胶-凝胶法制备了具有空心杆状和薄片状的特殊形貌的SiO2/TiO2复合材料。这些SiO2/TiO2复合材料表现出任何一种单氧化物(SiO2或者TiO2)都没有被发现的新奇性能。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 单分散SiO2颗粒概述

1.2.1 单分散SiO2颗粒的制备

1.2.2 SiO2颗粒表面改性

1.3 光子晶体概述

1.3.1 光子晶体的研究背景及意义

1.3.2 光子晶体的制备

1.4 SiO2与TiO2复合材料概述

1.4.1 核壳复合颗粒

1.4.2 SiO2与TiO2复合材料

1.5 本研究的意义和内容

第2章 单分散SiO2颗粒的制备及表征

2.1 引言

2.2 实验部分

2.2.1 实验仪器设备与主要试剂

2.2.2 单分散SiO2胶体颗粒制备

2.2.3 单分散SiO2胶体颗粒的形貌表征和成分分析

2.3 结果与讨论

2.3.1 SiO2胶体颗粒合成的方法和机理

2.3.2 SiO2胶体颗粒表面形貌以及成分分析

2.3.3 SiO2胶体颗粒合成的影响因素

2.3.4 SiO2胶体颗粒的变形和储存问题

2.3.5 方法不同对制备SiO2胶体颗粒的影响

2.4 本章小结

第3章 SiO2颗粒自组装以及光子晶体光学性能表征

3.1 引言

3.2 实验部分

3.2.1 实验仪器设备与主要试剂

3.2.2 SiO2胶体颗粒的制备

3.2.3 SiO2胶体颗粒的表面改性

3.2.4 单分散SiO2胶体颗粒的自组装

3.2.5 扫描电镜(SEM)分析表征

3.2.6 红外光谱(FTIR)分析表征

3.2.7 紫外-可见光光谱(IW-Vis)分析表征

3.3 结果与讨论

3.3.1 SiO2胶体颗粒的表面改性

3.3.2 SiO2胶体颗粒的自组装

3.3.3 SiO2颗粒的自组装后光学性能表征

3.3 本章小结

第4章 SiO2与TiO2复合材料的制备

4.1 引言

4.2 实验部分

4.2.1 实验仪器设备与主要试剂

4.2.2 SiO2与TiO2核壳复合颗粒的制备

4.2.3 特殊结构SiO2与TiO2复合颗粒的制备

4.2.4 SiO2与TiO2复合颗粒的测试与分析

4.2.5 红外光谱(FTIR)分析表征

4.3 结果与讨论

4.3.1 TiO2包覆SiO2核壳复合颗粒

4.3.2 特殊结构SiO2与TiO2复合材料

4.4 本章小结

第5章 结论

参考文献

致谢