植物叶片分级结构氧化物以及生物氮掺杂二氧化铈的制备和研究

摘要

经过几亿万年的进化，自然界产生了各种复杂的结构，这些结构联系着不同的生物功能。仿生是现代新材料开发的一个重要手段，其中遗态制备是仿生的一个分支。遗态制备利用自然生物材料为模板而得到具有生物结构的遗态材料。材料性能和结构有关，由于遗态材料融合了自然生物结构和人工功能成分，容易得到新的或改进的性能。除了形态遗传，遗态制备还涉及成分遗传，是指遗态材料继承了生物模板中的成分。 本研究作了两方面的尝试。一方面，以植物叶片为模板制备了具有分级结构的遗态氧化物，包括以樟树叶子和夹竹桃叶子为模板制备二氧化铈以及以红枫叶子为模板制备掺Eu硅酸钙。另一方面，以生物质为氮源制备掺氮氧化物，包括以大米和大豆为氮源制备掺氮二氧化铈。对这些材料针对微观形貌、成分、纳米级孔结构、氧活性、荧光特性、吸光特性等进行了表征，包括X射线衍射、X光电子能谱、场发射扫描电镜、透射电镜、等温氮气吸附、程序升温还原、raman光谱、紫外-可见光吸收、荧光光谱等。所得主要研究结论如下： 1.以樟树叶子和夹竹桃叶子为模板制备了遗态二氧化铈。遗态二氧化铈具有分级孔结构。在微米尺度上，继承了叶子模板的微观形貌和孔结构；在纳米尺度上，具有10nm以下较窄的孔径分布。相对于没有模板的一般二氧化铈样品，遗态二氧化铈的比表面积增加了。程序升温测试表明，遗态二氧化铈具有更高的低温氧活性，是由于其分级结构对表面积的提升而更有利于低温吸附氧。 2.以红枫叶片为模板制备了遗态掺Eu硅酸钙。遗态掺Eu硅酸钙具有分级结构，在微米尺度继承了原始红枫叶片的形貌，如维管束、气孔、表皮细胞等；在纳米尺度具有三级孔分布。相对于无模板的一般掺Eu硅酸钙样品，遗态掺Eu硅酸钙的比表面积、孔容都大大提高了。具有分级结构的遗态掺Eu硅酸钙在紫外-可见光区域具有更大的光吸收，特别是在蓝紫光区域。荧光测试表明，遗态掺Eu硅酸钙的荧光效率更高，可以归因于其分级结构所引起的更有效光吸收效率。 3.以生物质（大米、大豆）为氮源制备掺氮二氧化铈。通过铈盐浸泡生物质和烧结的方法制备了二氧化铈。X光电子能谱表明此方法能够有效地在二氧化铈中掺入氮。掺氮二氧化铈的氧缺陷大大增加，其中氮素起了促进氧缺陷产生的作用，包括诱导晶格畸变、降低氧化物点阵中氧空位形成能。具有高浓度氧缺陷的掺氮二氧化铈表现了体相氧还原过程向低温融合的还原曲线，表示其体相氧的活性和迁移性均提高，可以归因于掺氮造成的高量氧缺陷。