基于天然纖維素物質(zhì)的含鈦無機(jī)納米功能材料的制備及性質(zhì)研究.pdf

1、世界經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展給社會(huì)帶來了巨大的物質(zhì)財(cái)富。但是，人們在享受經(jīng)濟(jì)發(fā)展及科技進(jìn)步的同時(shí)，也不可避免的面臨著環(huán)境污染及能源枯竭問題。能源短缺及能源的過度使用造成的環(huán)境問題正威脅著人類的生存與發(fā)展，成為人類面臨的兩大難題。納米材料的迅猛發(fā)展極大的促進(jìn)了科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，有望在環(huán)境污染治理及新能源開發(fā)方面提供新的技術(shù)力量。二氧化鈦納米材料由于具有化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、催化性能高、無毒無污染、價(jià)廉易得等諸多優(yōu)點(diǎn)而成為半導(dǎo)體領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。在納米二氧化鈦材

2、料的合成及制備方法中，生物模板法由于具有制備方法簡單、得到的納米材料具有形貌及尺寸可控等優(yōu)點(diǎn)而引起了人們的廣泛興趣。其中，天然纖維素材料來源廣泛、無毒無污染、可降解且具有復(fù)雜的多層分級結(jié)構(gòu)，是設(shè)計(jì)及合成各種功能納米材料的理想模板。
　　 本文以天然纖維素材料（定量濾紙）作為模板及構(gòu)筑復(fù)合納米材料的支架，通過表面溶膠-凝膠法在纖維素表面沉積二氧化鈦超薄膜，之后通過惰性氛圍碳化或是空氣中煅燒的方法，制備得到了二氧化鈦/碳納米纖維復(fù)合

3、材料或是二氧化鈦納米管材料。這些材料可作為金屬納米顆粒沉積的載體，來制備具有特定功能的復(fù)合納米材料，主要結(jié)論如下:
　　 (1)二氧化鈦包裹的碳納米纖維材料。以實(shí)驗(yàn)室常用的濾紙為模板，以鈦酸四丁酯為前體物，通過表面溶膠-凝膠法，把二氧化鈦超薄膜沉積到濾紙纖維素的表面。之后將二氧化鈦超薄膜沉積的濾紙復(fù)合材料置于管式爐中，氮?dú)夥諊刑蓟w維素轉(zhuǎn)變?yōu)闊o定形碳纖維，同時(shí)，二氧化鈦凝膠層超薄膜轉(zhuǎn)變?yōu)殇J鈦礦型二氧化鈦。SEM及TEM觀察發(fā)

4、現(xiàn)，該材料在微觀上復(fù)制了濾紙纖維素材料復(fù)雜的多層分級結(jié)構(gòu)及形貌特征，二氧化鈦超薄膜(～12 nm)均勻的包裹在碳納米纖維上，且由顆粒尺寸均一的二氧化鈦納米顆粒組成。由于二氧化鈦薄膜的包裹，纖維素纖維在碳化的過程中避免了高溫?zé)Y(jié)與聚集，因此具有較大的比表面積(404 m2/g)。光催化實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該材料在紫外光及太陽光的照射下，對水體中的染料具有良好的降解效果。我們對光催化降解染料的機(jī)理也做了一些研究，結(jié)果表明，在光照的作用下，二氧化鈦

5、包裹的碳納米纖維材料會(huì)產(chǎn)生·OH自由基及·O2-，從而對染料具有極強(qiáng)的降解效果。光催化循環(huán)利用實(shí)驗(yàn)表明，經(jīng)過3次循環(huán)之后，樣品在180 min內(nèi)，仍然可以降解81％的亞甲基藍(lán)染料。
　　 (2)銀納米顆粒負(fù)載的二氧化鈦包裹的碳納米纖維材料。以鈦酸四丁酯為前體物，通過表面溶膠-凝膠法在濾紙纖維素表面沉積二氧化鈦超薄膜，通過氮?dú)夥諊刑蓟姆椒?，將濾紙纖維素轉(zhuǎn)變?yōu)樘技{米纖維，得到二氧化鈦包裹的碳納米纖維材料。將該材料浸泡在硝酸銀溶液

6、中，通過光照還原的方法，將Ag+轉(zhuǎn)變?yōu)殂y納米顆粒，得到銀納米顆粒負(fù)載的二氧化鈦包裹的碳納米纖維材料。通過SEM和TEM觀察可以看到，該材料復(fù)制了濾紙纖維素的多層分級結(jié)構(gòu)和形貌特征，二氧化鈦超薄膜均勻的包裹在碳納米纖維上，上面負(fù)載的銀納米顆粒分布均勻，顆粒尺寸均一且粒徑較小，平均直徑僅有5 nm。因?yàn)槎嗫滋技{米纖維的存在，銀納米顆粒在二氧化鈦包裹的碳纖維材料中的負(fù)載量也相對較高，可達(dá)9.5 wt.％左右?？咕鷮?shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該材料對革蘭氏陰

7、性菌（大腸桿菌）及革蘭氏陽性菌（金黃色葡萄球菌）均具有良好的抗菌效果，抗菌率分別為99.7％和72.1％。
　　 (3)氮化鈦納米管材料。首先以鈦酸四丁酯為前體物，通過溶膠-凝膠法，將二氧化鈦凝膠層沉積到濾紙纖維素表面，在空氣中煅燒除掉濾紙，得到銳鈦礦型二氧化鈦納米管材料;然后將二氧化鈦納米管材料和鎂粉以2.5∶1的比例置于反應(yīng)釜中，通入氮?dú)猓?200℃發(fā)生高溫鎂熱還原反應(yīng)，生成氮化鈦納米管材料。通過SEM和TEM觀察可以發(fā)現(xiàn)，

8、氮化鈦納米管材料在復(fù)制了濾紙纖維素的微觀形貌和結(jié)構(gòu)特征，氮化鈦納米管的管壁均勻，平均厚度為46 nm。氮?dú)馕?脫附曲線表明，氮化鈦納米管材料具有相對較大的比表面積，為31.4 m2/g。我們對氮化鈦納米管材料的電化學(xué)性質(zhì)做了測試，結(jié)果表明，氮化鈦納米管材料具有典型雙層超級電容器的特性，當(dāng)放電電流為0.16 A/g時(shí)，比電容可達(dá)74.2 F/g。
　　 (4)鉑納米顆粒負(fù)載的二氧化鈦納米管材料。以鈦酸四丁酯為前體物，通過表面溶膠

9、-凝膠法，在濾紙纖維素的表面沉積二氧化鈦超薄膜，然后在空氣中高溫煅燒除掉濾紙模板，得到銳鈦礦型二氧化鈦納米管材料。將二氧化鈦納米管材料浸漬在不同濃度的水合六氯鉑酸溶液中，通過光照還原的方法，產(chǎn)生鉑納米顆粒，得到了鉑納米顆粒負(fù)載的二氧化鈦納米管材料。SEM和TEM觀察發(fā)現(xiàn)，該材料在微觀上復(fù)制了濾紙纖維素的多層分級結(jié)構(gòu)和形貌特征，鉑納米顆粒分布均勻，大小尺寸在2-4 nm之間。光催化產(chǎn)氫實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)鉑納米顆粒的負(fù)載量為1 wt.％左右時(shí)