基于聚苯乙烯微球制備三維大孔材料及其應用研究.pdf

1、三維大孔材料是一種近年來備受關注的材料，由于其內部具有貫穿連續(xù)的孔道結構，因而在催化劑及載體、清潔能源、傳感器和生物技術等領域都有廣泛的應用。通常，三維大孔材料的制備需要模板輔助，如利用膠體晶體模板法，制備孔徑尺寸均一可調節(jié)的三維規(guī)則大孔材料。而其他無模板法，如水熱自組裝等，制備的三維大孔材料孔徑分布不均勻，但仍具有較高的孔隙率。但是，目前針對大孔基體材料的研究中，模板的形成和穩(wěn)定性受制于環(huán)境，最終影響孔結構的形成。與此同時，近期研究發(fā)

2、現(xiàn)，具有單一孔結構的大孔材料在有些領域中的應用受到了一定的限制。因此，亟需探索新的大孔材料制備方法，開發(fā)多種基體的大孔材料，同時設計具有多級孔結構的三維材料，以滿足材料在不同應用領域中的需求，如高比表面積和快速傳輸通道等。
　　本論文一方面研究開發(fā)多種基體的大孔材料;另一方面設計具有多級孔結構的三維材料，以滿足實際應用中的需求。全文以聚苯乙烯(PS)微球為模板，制備了不同基體的三維大孔材料，并研究其在不同領域中的應用。內容包括:采

3、用球形膠體晶體模板法制備三維反蛋白石微球，應用于光催化降解甲基橙;通過雙模板重力沉積自組裝法制備三維多級孔復合材料，應用于鋰離子電池負極材料;采用Pickering乳液液滴模板法制備三維大孔復合材料，應用于吸附四環(huán)素;采用與模板微球共沉積的方法，通過原位聚合制備三維大孔復合材料，應用于濕敏傳感器中。主要研究內容及成果如下:
　　一、通過水蒸發(fā)誘導反相乳液自組裝的方法，制備PS膠體晶體微球，并以此作為模板，將氧化石墨烯(GO)引入S

4、nO2的前驅體中，通過注入、煅燒兩步法得到SnO2與還原氧化石墨烯(rGO)復合的三維反蛋白石材料(IO-SnO2/rGO)。掃描電子顯微鏡(SEM)研究結果表明，IO-SnO2/rGO中有規(guī)則連續(xù)的三維大孔，同時，其孔徑與PS模板微球的直徑相關。拉曼光譜、XRD和XPS研究結果表明，通過高溫煅燒，反蛋白石復合物的骨架由具有金紅石晶型的SnO2構成。同時，GO會發(fā)生脫氧反應原位生成rGO。最后，將所得的IO-SnO2/rGO應用于光催化

5、降解甲基橙中。光致發(fā)光光譜研究結果顯示，反蛋白石結構和rGO的引入能夠加快載流子的傳輸速度，同時抑制電子/空穴的復合，從而提高材料的光催化性能。另外，光催化性能與復合的GO含量有關。其中，復合0.06 wt％ GO材料的光催化性能最好，過量的GO將會導致其光催化性能下降。
　　二、通過PS微球與鉆-60γ-射線輻射誘導還原所得到的rGO共沉積的方法，并加入乳化劑十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)作為結構導向劑，將PS微球與rGO共同

6、組裝為復合粒子薄膜。通過注入SnO2前驅體并在420℃高溫處理，去除PS硬模板和CTAB軟模板，得到具有多級孔結構的SnO2/rGO復合物。通過SEM和氮氣吸脫附表征，SnO2/rGO復合物中具有大孔(～200 nm)和介孔結構(3.312 nm)。將復合物用作鋰離子電池負極材料進行電化學性能測試，獲得了較好的循環(huán)性能（850 mAh g-1@0.3 C，100次）和倍率性能(436 mAh g-1@4.5 C)。驗證了多級孔結構和石墨

7、烯的引入有助于提高材料的電化學性能。
　　三、利用靜電相互作用，在酸性水溶液中將PS微球和GO相復合，得到PS/GO復合物。并將其作為穩(wěn)定劑用以穩(wěn)定Pickering乳液。隨著水相和油相的蒸發(fā)，Pickering乳液液滴會相互靠近。同時，GO之間的氫鍵作用會加強液滴之間的聯(lián)系，最終形成具有三維大孔結構（4～20μm）的PS/GO復合材料。將此材料應用于吸附水中的四環(huán)素，實驗結果顯示，在四環(huán)素溶液pH=6時，復合物達到最大吸附容量(

8、197.9 mg g-1)。同時，吸附過程符合Langmuir模型和假二級動力學模型。
　　四、通過磺化聚苯乙烯(SPS)微球和聚乙烯醇(PVA)共沉積的方法，將SPS微球和PVA共同組裝為復合粒子薄膜。將其放置在真空烘箱中(＜150 Pa)，80℃處理10h后，即可得到具有一定柔韌性的濕敏復合薄膜。另外，薄膜的親水性也隨著反應的進行而有所提高。同時，薄膜正反面接觸角的差值由反應前的12°增加至反應后的20°。接著用甲苯去除SPS