纳米二氧化硅及硅酸盐复合材料的制备与表征

摘要

近年来，纳米复合材料由于它的许多性能都优于单组分材料，在应用方面更加的广泛。纳米复合材料在填料、催化、光学、生物医药、药物载体和多功能涂层材料等方面有着巨大的应用。本论文研究了沉淀法制备中空二氧化硅微球，以二氧化硅为牺牲模板，水热法制备花球状碱式硅酸锰、二氧化硅/硅酸锰核壳微球以及银耳状碱式硅酸铁。通过扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和X射线衍射(XRD)等手段对其进行表征。本论文研究结果如下：
　　(1)沉淀法制备二氧化硅中空微球和纳米微球。
　　实验结果表明，模板剂的用量在决定粒子形貌方面起着至关重要的作用。中空微球的热稳定性实验表明，粒径在100 nm左右的微球具有较好的热稳定性。随阳离子表面活性剂CTAB用量的增加，产物的粒径由30 nm增加到600 nm。加入助溶剂，产物的粒径由100 nm减小到40 nm，且分散性好。
　　(2)利用水热法制备了花球状二氧化硅/碱式硅酸锰核壳微球。
　　产物形貌随反应温度、原料的硅/锰摩尔比的不同而发生改变。反应温度由140℃升高到220℃，花状微球表面的纳米片消失；随反应时间由6 h延长到12h，微球的粒径尺寸增大，微球表面的纳米片也随之变得密集；当起始反应的硅和锰的摩尔比为1:2时，生成的产物为花球状二氧化硅/碱式硅酸锰核壳微球。
　　(3)采用水热法制备出了二氧化硅/硅酸锰核壳微球和硅酸锰空心微球。
　　在140℃水热条件下成功的制备出了分散均匀、具有可控壳层厚度的SiO2/MnSiO3的核壳微球和MnSiO3的空心微球。通过调节反应时间，调控SiO2/MnSiO3核壳微球结构内部核的大小与壳的厚度。反应温度由140℃增加到180℃，得到产物均一、表面不光滑的MnSiO3中空微球。pH也是一个重要的影响因素，调节pH值，在相同的反应时间，二氧化硅核消失的更快；180℃下，pH由9增大到11时，产物的表面变得光滑；140℃时，随反应时间的延长壳层厚度变薄。
　　(4)分别采用FeCl2·4H2O、FeSO4·7H2O、Fe(NO3)3·9H2O为铁源，水热法来研究二氧化硅/碱式硅酸铁复合材料的形貌。
　　结果发现铁源不同，所得到的产物的形貌不同。采用FeSO4·7H2O做铁源可得到分散均匀的银耳状二氧化硅/硅酸铁复合结构；加入NH3·H2O，生成产物可得片层薄且分散更加均匀，空隙更多，比表面积更大的片层二氧化硅/硅酸铁复合结构；反应温度越高，产物薄片沉积生长越快，所得片状结构越厚。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 前言

1.2 介孔纳米氧化硅

1.2.1 介孔材料的概念

1.2.2 介孔纳米氧化硅的结构与性质

1.2.3 介孔材料的合成机理

1.2.4 纳米氧化硅的制备方法

1.2.5 介孔氧化硅的应用

1.3 硅酸盐纳米复合材料

1.3.1 纳米复合材料的概念

1.3.2 核-壳材料的制备方法

1.3.3 纳米复合材料的性质及分类

1.4 锰及锰盐

1.4.1 锰及含锰硅酸盐的性质

1.4.2 锰及含锰硅酸盐的应用

1.5 课题研究的目的与意义

第二章 纳米二氧化硅的制备及表征

2.1 引言

2.2 实验部分

2.2.1 试剂及仪器

2.2.2 制备方法

2.2.3 表征

2.3 实验结果与分析

2.3.1 X射线衍射分析

2.4 SiO2中空微球的合成影响因素

2.4.1 PEG 20000用量对产物粒径的影响

2.4.2 研磨对中空微球的影响

2.4.3 SiO2中空微球的对热稳定性

2.4.4 二氧化硅空心球的形成过程分析

2.5 影响纳米SiO2合成的因素

2.5.1 溶剂对SiO2纳米粒子的影响

2.5.2 表面活性剂的用量对SiO2纳米粒子的影响

2.5.3 助溶剂对产物形貌的影响

2.6 本章小结

第三章 水热法制备二氧化硅/碱式硅酸锰及内室可控的二氧化硅/硅酸锰核壳微球的制备及表征

3.1 引言

3.2 实验部分

3.2.1 试剂及仪器

3.2.2 SiO2纳米粒子的制备

3.2.3 花球状二氧化硅/碱式硅酸锰核壳微球纳米粒子的制备

3.2.4 二氧化硅/硅酸锰核壳微球纳米粒子的制备

3.2.5 表征

3.3 花球状二氧化硅/碱式硅酸锰核壳微球的制备与表征

3.3.1 产物的XRD图谱分析

3.3.2 SiO2/Mn8Si6O15(OH)10核壳微球的SEM和TEM分析

3.3.3 反应温度对SiO2/Mn8Si6O15(OH)10形貌的影响

3.3.4 原料配比对SiO2/Mn8Si6O15(OH)10形貌的影响

3.3.5 反应时间对SiO2/Mn8Si6O15(OH)10微球形貌的影响

3.3.6 氨水对产物形貌的影响

3.4 可控二氧化硅/硅酸锰核壳微球的结果与讨论

3.4.1 二氧化硅球的TEM照片

3.4.2 产物的XRD图谱分析

3.4.3 SiO2/MnSiO3核壳微球的形成过程

3.4.4 SiO2/MnSiO3核壳微球的SEM与TEM分析

3.4.5 摩尔比对SiO2/MnSiO3核壳微球的影响

3.4.6 反应时间对二氧化硅/硅酸锰核壳微球的影响

3.4.7 pH值对SiO2/MnSiO3核壳微球的影响

3.5 本章小结

第四章 银耳状碱式硅酸铁复合材料的制备及表征

4.1 引言

4.2 实验部分

4.2.1 试剂及仪器

4.2.2 SiO2纳米粒子的制备

4.2.4 表征

4.3 二氧化硅/硅酸铁复合材料的表征

4.3.1 二氧化硅/硅酸铁复合材料的XRD分析

4.3.2 不同的铁源对产物形貌的影响

4.3.3 反应温度对产物形貌的影响

4.3.4 氨水对产物形貌的影响

4.5 本章小结

结论

尚需进一步研究的工作

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文