具有生物结构的功能材料的超声制备及光学性能研究

摘要

材料性能不仅取决于其化学组分，更与其自身的结构，特别是从宏观到微观的结构密切相关。在材料分级结构的设计研究中，自然界提供了许多优秀范例与深刻启迪，带来了人类仿生学的发展。长期的进化过程中，自然生物以最经济、最优化的方式构筑和组合了维持它们生存、生长的结构，形成了多种复杂的分级精细结构。这些丰富的精细结构与其材质的相互耦合，将呈现结构和功能的一体化。
　　蝴蝶翅膀(以下简称蝶翅)能够呈现出不同的颜色，以满足其求偶捕食等生存需要，甚至某些蝶翅鳞片还具有特殊的捕捉光的能力。这是由于形成蝶翅的鳞片具有特殊的分级精细微观结构，构成鳞片的甲壳素薄膜与填充其间的空气具有不同的折射率，入射的光线在此精细结构中将产生复杂的散射、干涉、衍射等光学作用。蝶翅的精细结构-功能一体化的特点为新材料的制备提供了新的启发与指导。以具有特殊多级精细微观结构的蝶翅为模板，将甲壳素基体替换为各种具有优越物理特性的其它组分，可制备各种兼具原始蝶翅精细结构与新组分特性的仿生结构功能一体化新材料。
　　叶绿体是植物进行光合作用的重要细胞器，它具有吸收、传递和转换光能的功能。叶绿体囊内基粒像圆盘一样堆垛形成类囊体。由于类囊体具有层状结构，可有效增加光在结构中的传导，从而提高了光吸收。我们同样受此结构启发，以此来指导材料的设计与研究，制备其三维结构。
　　在本研究中，选用具有精细分级结构的蝶翅和植物叶绿体作为生物模板，以二氧化钛功能材料的前躯体为原料，合成了一系列具有蝶翅微观精细结构的二氧化钛材料。探索了介孔修饰的具有蝶翅结构的二氧化钛的制备方法和光学性能。同时，在复制叶绿体结构的基础上，通过工艺的改进，将具有叶绿体结构的二氧化钛材料制成染料敏化太阳能电池光阳极，并探讨了这种光阳极的效率和机理，为今后进一步研究应用具有生物分级结构材料，设计和提高染料敏化太阳能电池的性能提供了一定的指导。主要研究内容和结果如下：
　　1.针对原始蝶翅成分及其热分解温度进行分析，设计优化和确立了针对甲壳素基体的生物结构材料的超声制备方法。经过对蝶翅前处理，选择合适的配方进行超声化学作用，以及合适的烧结工艺，将原始蝶翅结构完美地保留在二氧化钛功能材料中。
　　2.针对尺度在微米级的蝶翅鳞片，研究了前驱体浓度、超声反应参数和烧结温度对二氧化钛蝶翅微观结构的影响，并采用显微光学研究方法，考察了因烧结温度变化制备得到的蝶翅结构二氧化钛材料的紫外-可见光-红外反射光谱。证实了二氧化钛蝶翅微观结构尺寸与光之间的作用存在一定规律，由此得出制备蝶翅二氧化钛功能材料的最优化烧结温度。
　　3.以具有不同微观结构的蝴蝶翅膀为生物模板，以可形成介孔结构的三嵌段共聚物P123为第二模板，制备具有硬-软双重模板的介孔修饰二氧化钛蝶翅结构材料。由此制备的材料在蝶翅结构支架上增加了介孔，多级孔的存在增强了生物模板功能材料的光吸收性。有望应用于光催化、光解水以及光电领域。
　　4.制备了具有植物叶绿体基粒纳米层状结构的二氧化钛功能材料，分析其紫外-可见光吸收性。探讨了超声化学和渗透两种方法对复制叶绿体精细结构的影响。结果表明超声法保留了叶绿体纳米层结构，并表现出良好的光吸收性能。鉴于上述研究并结合光生伏打效应，将具有叶绿体结构的二氧化钛覆盖于导电玻璃表面上，制成染料敏化太阳能电池光阳极，组装的电池表现出优良的太阳能电池性能。这一结果为今后利用仿生分级结构材料设计和提高染料敏化太阳能电池性能提供了新的思路和依据。

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第一章 绪论

1.1引言

1.2生物结构功能材料的研究进展

1.3纳米二氧化钛的性能和制备方法

1.4选题意义及研究内容

参考文献

第二章 蝶翅结构TiO2功能材料的制备和表征方法

2.1引言

2.2研究方法和表征

2.3制备具有蝶翅结构的二氧化钛材料的方法

2.4本章小结

参考文献

第三章 制备工艺对蝶翅结构TiO2的微观结构及光学性能的影响

3.1引言

3.2超声工艺参数对蝶翅TiO2微观结构的影响

3.3烧结工艺对蝶翅TiO2微观结构及光学性能的影响

3.4本章小结

参考文献

第四章 介孔修饰的蝶翅结构TiO2材料的制备及光学性能研究

4.1引言

4.2实验方法

4.3结果和讨论

4.4本章小结

参考文献

第五章 叶绿体结构TiO2的制备及在染料敏化太阳能电池的初步应用

5.1引言

5.2叶绿体类囊体结构TiO2的制备方法

5.3结果与讨论

5.4本章小结

参考文献

第六章 结论与展望

6.1结论

6.2展望

致谢

攻读硕士期间发表论文