植物組織模板遺態(tài)分級多孔氧化物制備、微結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，具有多層次、多維、多組分的有序結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)為模板，在保留其原始的多級多尺度結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)、納米孔結(jié)構(gòu)、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(jié)論如下： 1．以天然木材為模板，通過遺態(tài)轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)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(jié)溫度對納米孔結(jié)構(gòu)具有很大影響。隨著燒結(jié)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(jié)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(jié)構(gòu)。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(jié)合的方法，遺傳了葉片從導管到葉綠體中類囊體的納米片