植物組織模板遺態(tài)分級多孔氧化物制備、微結構及性能研究.pdf

1、自然界中的植物組織經(jīng)億萬年的遺傳、進化和演變呈現(xiàn)出一種天然的分級結構，具有多層次、多維、多組分的有序結構形貌特征,為材料研究者在微觀、介觀、顯微、宏觀等不同尺度上開展材料的結構性能設計與制備研究提供了許多啟示，從而有了遺態(tài)材料制備這一以天然的生物結構為模板，在保留其原始的多級多尺度結構的同時，引入新的組分，從而賦予所得新材料新的功能的思想。 本文以不同種類的天然木材、棉纖維以及綠色植物葉片為模板。通過對制備工藝的控制，合成了木材

2、-遺態(tài)Cr2O3、木材-遺態(tài)Mn2O3、木材-遺態(tài)Ag/Al2O3、棉纖維-遺態(tài)Ag/SiO2、棉纖維-遺態(tài)Au/N-TiO2和葉片-遺態(tài)TiO2，并且使用X射線衍射儀、場發(fā)射掃描電鏡、透射電鏡、光學顯微鏡、數(shù)碼光學顯微鏡、激光共聚焦顯微鏡、氮吸附分析儀、X射線小角散射儀、X射線光電子能譜儀、傅立葉變換紅外光譜儀、紫外-可見光光譜儀、電子順磁共振儀等分析儀器對所得遺態(tài)材料的組分、形貌、微結構、納米孔結構、元素含量和狀態(tài)、光吸收性能及催化

3、活性進行研究。所得的主要研究結論如下： 1．以天然木材為模板，通過遺態(tài)轉化合成工藝制得木材-遺態(tài)Cr2O3、Mn2O3和Al2O3。遺態(tài)氧化物具有分級多孔特征。在微米尺度上，不同類型木材模板的遺態(tài)氧化物保留了其模板特有的多孔結構特征，即針葉木的排列規(guī)則孔徑分布均一的方形管胞和闊葉木形狀多樣、孔徑分布廣的管胞。在納米尺度上，合成過程中燒結溫度對納米孔結構具有很大影響。隨著燒結溫度的升高，比表面積、孔容下降，平均孔徑和連通數(shù)增加。在

4、遺態(tài)氧化物的納米孔中組裝Ag納米顆粒合成遺態(tài)Ag/Al2O3。Ag納米顆粒的粒徑分布與基體氧化物的孔徑分布符合良好，納米孔有效地控制了Ag納米顆粒的粒徑分布。隨著燒結溫度的升高，遺態(tài)氧化物Cr2O3和Mn2O3的紅外吸收譜線發(fā)生整體下塌現(xiàn)象；Ag納米顆粒使得遺態(tài)Al2O3在可見光范圍的光吸收明顯增加，并且產(chǎn)生SPR效應。納米顆粒的粒徑分布以及其與基體氧化物的相互作用對SPR的峰強和峰位都產(chǎn)生影響。 2．以天然棉纖維為模板，通過溶

5、膠－凝膠工藝合成了棉纖維-遺態(tài)SiO2和N-TiO2。樣品保留了微觀的纖維狀，并且為中空結構。在遺態(tài)SiO2的合成過程中添加表面活性劑提高了比表面積；在遺態(tài)N-TiO2的合成過程中以三乙氨為氮源并利用乙酰丙酮控制水解實現(xiàn)植物模板氧化物一步摻氮。棉纖維模板單一的纖維素組分在分解過程中產(chǎn)生了分布均一的納米孔（對于以上兩種氧化物孔徑分布分別集中在2-3nm和4-5nm）。利用納米孔分別合成了遺態(tài)Ag/SiO2和遺態(tài)Au/N-TiO2。金屬納米

6、顆粒的粒徑分布均一，與基體氧化物的孔徑分布符合良好，并使其在高溫下具有了一定的穩(wěn)定性。Ag和Au納米顆粒的裝入提高了SiO2和N-TiO2可見光下的吸收并產(chǎn)生SPR效應。摻雜N位于TiO2晶格的間歇位置，形成了局部態(tài)使TiO2的帶隙吸收起峰位置從380nm紅移至550nm。 3．選取了5種自然界具有光合作用的綠色植物葉片為典型模板合成遺態(tài)TiO2。利用離子置換與溶膠－凝膠包覆相結合的方法，遺傳了葉片從導管到葉綠體中類囊體的納米片