細菌纖維素模板效應及氧化鋅光催化材料的可控制備.pdf

1、研究納米ZnO等半導體粉體光催化劑的固定化技術，如選擇纖維素等有機模板與之復合，使納米光催化劑在基體中達到良好的分散性和穩(wěn)定性，可解決在光催化處理有機污水時納米粉體的團聚問題，提高光催化活性，回收方便，可重復使用，具有極大的現(xiàn)實價值。
　　 細菌纖維素(Bacterial cellulose，BC)，又稱微生物纖維素，是細胞分泌到細胞外的產(chǎn)物。其三維納米網(wǎng)絡結構、內部大量納米級孔徑分布可作為“生物模板”使用，大量的羥基基團可作為

2、反應活性位點，當與其他高分子、有機分子或無機分子進行復合時，可通過模板約束效應控制合成具有預期特定形貌、尺寸的納米功能復合材料。因此研究BC表面結構特性與模板效應，深入拓展其功能復合材料的應用領域和研發(fā)空間具有重要意義。
　　 本文首先研究了BC表面預處理與化學結構改性對其模板效應的影響，探討模板結構與產(chǎn)物性能間的關系，在此基礎上分別選用BC和偕胺肟改性BC膜作為模板，采用多元醇原位還原的方法制備了氧化鋅納米復合材料，并初步探討

3、納米粒子在基體中的成核、生長機理以及模板效應對產(chǎn)物結構性能的影響。主要研究內容如下：
　　 1.BC表面預處理、結構改性與模板效應
　　 通過采用堿溶脹、超聲波以及乙醇溶劑交換三種物理活化方法對BC表面進行預處理，結果表明其對Zn2+的平衡吸附容量在120 min時分別從原膜的14.8mg/g提高Zn2+的吸附至21.3、20.1和16.3mg/g。XRD分析發(fā)現(xiàn)超聲波以及乙醇溶劑交換對BC結晶結構并無影響，而堿溶脹可破

4、壞纖維素晶區(qū)，生成氧負離子作為反應活性位點，有利于改善表面羥基對金屬離子的吸附性能；
　　 對BC進行表面偕胺肟化學改性，結果表明其可在保留模板形貌的基礎上，利用引入的胺肟基團有效改善重金屬離子與納米纖維的吸附作用，即可通過螯合、靜電吸引和沉淀等作用對重金屬離子進行吸附、錨定，其對Zn2+的吸附容量可提高至71mg/g，與表面預處理法相比可更有效地改善模板效應。熱失重分析顯示復合膜的熱穩(wěn)定性有所提高，紅外光譜、X射線衍射與元素分

5、析證明膜中胺肟基團的存在，含氮量為5.78％，取代度為0.3403；
　　 以BC模板為基體材料，通過硅酸四乙脂(TEOS)堿性水解原位包覆的方法制備BC/SiO2納米材料，高溫煅燒除去模板后可得到SiO2納米纖維。場發(fā)射掃描電鏡、透射電鏡、孔徑分布、紅外等分析結果表明，BC表面富含活性羥基，可通過參與TEOS縮聚反應或氫鍵作用，使SiO2納米顆粒沿著納米纖維進行包覆生長，并且除去模板后可保留模板的形貌。另外可通過改變TEOS濃

6、度，有效調控所生成納米纖維的形貌從顆粒堆積體、鏈式結構逐漸轉化成為表面光滑的納米纖維，從某種程度上體現(xiàn)了BC模板對納米材料形貌結構的調控。
　　 2.分別以BC和AmBC作為模板，利用其精細的三維多孔網(wǎng)狀結構、內部大量的納米級孔徑分布作為納米反應器，表面活性基團作為反應活性位點，通過多元醇原位還原反應，可控制備具有特定形貌結構的氧化鋅納米功能復合材料。利用場發(fā)射掃描電鏡、X射線衍射、紅外、熱重分析、N2吸附脫附等測試手段，對所制

7、備的BC/ZnO與AmBC/ZnO納米復合膜進行了形態(tài)、結構和性能的分析對比。
　　 實驗結果表明，BC/ZnO納米復合膜的顆粒尺寸、形貌受到水解時間和溶液濃度的影響，當Zn2+濃度為0.5 wt%，水解時間為10 min時所得到的復合膜整體形貌最好，在三維多孔網(wǎng)絡結構的微纖表面上附著有均勻分散的球狀纖鋅礦ZnO納米顆粒，粒徑約為50 nm，比表面積為101.34 m2/g，其對甲基橙的光催化降解效率在120 min最高可達70