以蛋白质为模板制备二氧化钛纳米材料及机理探讨

摘要

近年来,以生物组织(生物有机体的某一部分、微生物和生物大分子等)为模板合成各种材料受到了广泛的关注,而蛋白质模板则为科学家们的更加青睐。这主要是由于蛋白质有先天的优势,它在生物体内能与很多无机物质紧密结合在一起,形成诸如人体骨骼,节肢动物的外壳和硅藻属的骨架等,而且蛋白质来源广泛、价格低廉又容易购得,因此成为研究生物模板时的重点。
　　 目前,国内外学者们普遍用作模板的蛋白质主要是去铁铁蛋白,人铁蛋白,清蛋白以及蚕丝蛋白,利用蛋白的空腔或胶连网状结构来产生模板效应。
　　 本论文主要研究了常见的两种廉价蛋白,酪蛋白和蛋清蛋白,将这两种蛋白应用到合成中,以它们作模板来尝试合成具有光催化活性的二氧化钛和氧化锌。
　　 首先以酪蛋白为模板,在水相体系中合成二氧化钛。经过10天的静置,在室温条件下合成制得了TiO2纳米薄片,薄片为无定形TiO2,表面光滑。纳米薄片的长度和宽度均为微米级,厚度约为20 nm。经过500℃焙烧后可部分保持形貌,在紫外光及可见光照下降解苯酚效果良好。
　　 然后又在以蛋清蛋白为模板的水相体系中合成TiO2,制得了分散均匀、形状规则的TiO2小颗粒,颗粒直径约为9 nm。通过TEM,XPS,FTIR,TG-DTA和Uv-Vis等表征手段对反应的机理进行了深入的研究,提出了变性的蛋清蛋白形成网状胶连体作模板的机理,简单描述如下:蛋清蛋白和无定形二氧化钛在室温下形成无机-蛋白混合物,当温度升高至80℃,蛋白分子伸展,变性并聚集成一个巨大的网状结构,同时无定形二氧化钛吸附在网状结构的表面或内部。当温度升高至150℃时,胶连网状结构分解,无定形二氧化钛形成均匀的二氧化钛小晶核,再经过适当时间的晶化,形成了均匀且分散良好的二氧化钛纳米颗粒。对产物的光催化测试结果表明其在紫外光照下对甲基橙的降解效率优于普通的无模板合成的TiO2。
　　 最后对以酪蛋白为模板合成ZnO颗粒进行了初步探讨,得到了形状较规则的ZnO颗粒,且产物的光催化效果比商用TiO2(P25)更加优异。

目录

文摘

英文文摘

第一章 文献综述

第一节 纳米材料的定义和性能

第二节 纳米材料的制备方法

1.2.1 物理方法

1.2.2 化学方法

1.2.3 微波法

1.2.4 自组装法

1.2.5 模板法

1.2.6 生物模板法

第三节 蛋白质作生物模板制备无机材料

第四节 半导体的光催化作用机理

第五节 论文的研究内容及意义

参考文献

第二章 实验部分

第一节 试剂及实验装置

2.1.1 试剂及规格

2.1.2 实验仪器及装置

第二节 以酪蛋白为模板制备二氧化钛

2.2.1 在乙醇体系中制备二氧化钛

2.2.2 在水体系中制备二氧化钛纳米薄片

2.2.3 二氧化钛纳米片制备对照实验

第三节 以蛋清蛋白为模板制备纳米二氧化钛

2.3.1 制备均匀细小的二氧化钛纳米颗粒

2.3.2 二氧化钛纳米颗粒制备对照实验

2.3.3 温度过程控制实验探索蛋清蛋白模板机理

第四节 以酪蛋白为模板制备氧化锌

2.4.1 制备氧化锌颗粒

2.4.2 氧化锌颗粒制备对照实验

第五节 光催化性能评价

2.5.1 催化剂光催化性能评价装置

2.5.2 苯酚、甲基橙降解实验

第六节 光催化材料的结构性能表征

2.6.1 透射电镜(TEM和HRTEM)

2.6.2 选区电子衍射(SAED)

2.6.3 X射线粉末衍射(XRD)

2.6.4 扫描电镜(SEM)

2.6.5 x射线光电子能谱(XPS)

2.6.6 红外光谱(FT-IR)

2.6.7 热重分析(TG-DTA)

2.6.8 固体紫外可见漫反射(Uv-Vis)

2.6.9 比表面积BET

第三章 结果与讨论

第一节 以酪蛋白为模板合成纳米TiO2

3.1.1 酪蛋白简介

3.1.2 酪蛋白粉的通用制备方法

3.1.3 在乙醇体系中以酪蛋白为模板合成二氧化钛

3.1.4 在纯水体系中以酪蛋白为模板合成二氧化钛

3.1.5 本节小结

第二节 以蛋清蛋白为模板制备TiO2纳米颗粒及机理的探讨

3.2.1 蛋清蛋白模板对TiO2粒径的影响

3.2.2 均匀分散的TiO2小颗粒制备机理探讨

3.2.3 合成的二氧化钛的光催化表征

3.2.4 N掺杂的TiO2的制备

3.2.5 本节小结

第三节 以酪蛋白为模板制备ZnO颗粒

第四节 本章小结

参考文献

第四章 全文总结

个人简历

致谢