带电荷纳米线诱导无机纳米材料的生长及其性能研究

摘要

有机体内的生物矿物无论在多级分层结构上还是在性能上都具有着很大的优越性。运用生物矿化的基本原理制备具有优越性能的新型功能材料已成为化学和材料科学领域的重要挑战之一。一维纳米结构在尺度和维度上类似于生物体内能够诱导生物矿物成核生长的超分子或其组装体。基于此，在本论文中选用各种表面带有电荷的一维纳米线为前驱物，主要讨论了如何利用无机纳米线诱导生物矿物的成核生长并以其为模板诱导制备新型功能材料。取得的主要研究结果如下：　　1.建立了由超细无机纳米线诱导无定型碳酸钙(ACC)生长组装的合成体系，成功制备了ACC@Te纳米线和ACC纳米片。在该体系中，以聚乙烯吡咯烷酮(PVP)分子稳定的碲(Te)纳米线为诱导剂，分别通过气相扩散法和溶剂热法诱导组装ACC纳米颗粒。值得注意的是，纳米线表面电荷对于在形成尺寸均一的ACC@Te纳米线和ACC纳米片的过程中起到了至关重要的作用。通过调节Te纳米线的浓度、混合溶剂的体积比和Te纳米线的直径，探讨了ACC@Te纳米线和ACC纳米片的形成机理。此外，利用ACC纳米片作为组装单元可以成功制得具有显著韧性的海藻酸钠/ACC仿生复合薄膜;ACC纳米片上大量存在PVP分子因而可以负载磁性纳米粒子，制得具有磁性的ACC功能材料。这种利用超细纳米线诱导无定型生物矿物组装的方法可以扩展至其他无机碳酸盐材料的控制合成，也为深入理解生物矿化的机理提供了一些线索。　　2.创立了一种利用硬硅酸钙纳米线诱导合成无定型金属氢氧化物纳米纤维的通用方法。运用这种方法合成了组分可控的一系列无定型二元金属氢氧化物纳米纤维。对金属氢氧化物进行热处理，还可制得相应的金属氧化物纳米纤维。这一方法还可扩展到其他无定型金属氢氧化物材料控制合成过程，所制备的金属氢氧化物纳米纤维和金属氧化物纳米纤维有望在众多领域中具有潜在的应用。　　3.发展了一种硬硅钙石纳米线诱导制备赤铁矿微米球介观晶体的新方法。将硬硅酸钙纳米线与氯化铁溶液混合后，经水热反应整个反应系统被加热至160℃，此后，初级赤铁矿纳米组装单元定向组装，最后获得尺寸均一、高度结晶的赤铁矿介观晶体。在此矿化体系中，可以通过调节纳米线和FeCl3的浓度分别调节赤铁矿介观晶体的尺寸和形貌。这种生物矿化模拟方法为合成其他介观材料提供了一种新的策略。　　4.研究了含镁无定形碳酸钙(Mg-ACC)在乙醇/水混合溶剂中相转变过程，此过程反应条件温和且不添加任何有机添加剂。调节温度、乙醇/水体积比以及Mg-ACC的初始浓度可以实现对产物的热力学和动力学调节。此外，55℃时4.5mM Mg-ACC在乙醇-水混合溶剂中（乙醇/水体积比为3/2）陈化24 h，可获得文石相微椭球体，这种微椭球体由文石相纳米纤维组成。这项工作可能会为理解自然界中CaCO3的矿化过程提供一些有用的线索，也可以为工业生产不同形貌的碳酸钙提供方法指导。

目录

声明

摘要

第一章 基于无定型纳米材料的仿生矿化合成的研究进展

1．1 生物矿化简介

1．2 生物矿化的基本理论

1．3 仿生矿化的应用

1．4 无定型纳米材料的最近进展和应用

1．4．1 无定型材料的简介

1．4．2 无定型材料的形貌

1．4．3 无定型材料的应用

1．5 无定形碳酸钙(ACC)在生物矿化中的作用

1．5．1 生物体内ACC的发现与相转变

1．5．2 ACC的类型及其短程有序结构

1．5．3 无定型相和准晶体结构的仿真模拟

1．5．4 ACC研究面临的挑战

1．6 本论文的研究内容

参考文献

第二章 带电荷的无机纳米线作为超分子类似物诱导生长无定型碳酸钙(ACC)的研究

2．1 带电荷的无机纳米线作为超分子类似物诱导生长ACC纳米线

2．1．1 引言

2．1．2 实验部分

2．1．3 结果和讨论

2．1．4 本节小节

2．2 带电荷的无机纳米线诱导生长ACC纳米片：优良的仿生复合材料组装单元

2．2．1 引言

2．2．2 实验部分

2．2．3 结果和讨论

2．2．4 本节小结

参考文献

第三章 硬硅钙石纳米线诱导形成无定型金属氢氧化物及其氧化物纳米纤维的研究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 材料来源及前处理过程

3．2．2 实验方法

3．2．3 样品表征

3．3 结果和讨论

3．3．1 M(OH)2纳米纤维成分及晶体结构分析

3．3．2 M(OH)2及MO纳米纤维的形貌表征

3．3．3 M(OH)2的形成机理

3．4 本章小结

参考文献

第四章 硬硅钙石纳米线诱导α-Fe2O3微米球介观晶体的矿化过程研究

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 材料来源及前处理过程

4．2．2 实验方法

4．2．3 样品表征

4．3 结果和讨论

4．3．1 赤铁矿介观晶体的表征和形貌

4．3．2 前驱物浓度对产物形貌的影响

4．3．3 硬硅酸钙纳米线诱导生成赤铁矿晶体的机理研究

4．4 本章小结

参考文献

第五章 含镁无定型碳酸钙(Mg-ACC)在乙醇-水二元溶剂中的相转变过程研究

5．1 引言

5．2 实验部分

5．2．1 材料来源

5．2．2 镁无定形碳酸钙(Mg-ACC)分散液的合成

5．2．3 镁无定形碳酸钙(Mg-ACC)的相转变

5．2．4 样品表征

5．3 结果与讨论

5．3．1 镁无定形碳酸钙(Mg-ACC)的合成

5．3．2 在乙醇-水二元溶剂中合成微椭球形文石

5．3．3 乙醇-水体积比对Mg-ACC相转变的的影响

5．3．4 温度对Mg-ACC相转变的影响

5．3．5 Mg-ACC浓度对Mg-ACC相转变的影响

5．4 本章小节

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果