多殼中空結(jié)構(gòu)的分級孔微納米材料的可控合成及其構(gòu)效關(guān)系.pdf

1、進入21世紀(jì)以來，材料工業(yè)作為現(xiàn)代工業(yè)的支柱性產(chǎn)業(yè)之一，已經(jīng)取得了長足發(fā)展并促進社會的高速發(fā)展。中空核殼材料，特別是多殼中空結(jié)構(gòu)的微納米材料，因其具有大的比表面積、豐富的活性位點、低密度、短的傳質(zhì)路徑以及廣闊的空腔結(jié)構(gòu)等優(yōu)點，使其在電化學(xué)、生物醫(yī)藥及環(huán)境保護等領(lǐng)域有著重要發(fā)展并廣泛引起人們的關(guān)注。與此同時，分級孔材料，即一類在微納米材料表面具有不同分級孔道結(jié)構(gòu)（具有兩種或兩種以上孔道結(jié)構(gòu)，如小孔-介孔、介孔-大孔等）的材料，也逐漸引起大

2、家的關(guān)注。復(fù)雜的孔道結(jié)構(gòu)賦予材料不僅更多的活性位點和更大的比表面積，而且也大大提高了傳質(zhì)效率并降低了傳質(zhì)阻力?；诖耍染哂卸鄽ぶ锌战Y(jié)構(gòu)又具有分級孔結(jié)構(gòu)的微納米材料具有良好的發(fā)展應(yīng)用前景。
　　本論文基于多殼中空結(jié)構(gòu)的分級孔材料的研究現(xiàn)狀，運用犧牲模板法成功地可控合成了具有多殼中空結(jié)構(gòu)的分級孔微納米材料。通過調(diào)節(jié)反應(yīng)條件樣品殼層數(shù)可控。利用X-射線衍射、場發(fā)射掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡等手段對樣品的化學(xué)組分、形貌結(jié)構(gòu)以及應(yīng)用性

3、能進行分析表征。并對樣品的形成機理進行了研究討論，為指導(dǎo)合成更多的具有多殼中空結(jié)構(gòu)的分級孔微納米材料提供堅實的理論基礎(chǔ)和實驗依據(jù)。性能研究分析了這種復(fù)合結(jié)構(gòu)微納米材料在電化學(xué)及環(huán)境保護領(lǐng)域的應(yīng)用，初步探討了其構(gòu)效關(guān)系。為進一步優(yōu)化分級孔材料的多殼中空結(jié)構(gòu)進而提高其性能提供了可靠的實驗依據(jù)。
　　本論文主要開展以下幾項工作:
　　(1)、可控合成具有多殼中空結(jié)構(gòu)的分級孔二氧化硅微納米材料，并研究其形成機理和電化學(xué)性能。利用犧牲

4、模板法合成單層、雙層及三層殼中空結(jié)構(gòu)的分級孔二氧化硅微球，樣品的殼層數(shù)能夠通過前驅(qū)體的負載量控制。通過對樣品的分析表征，研究了樣品的形貌結(jié)構(gòu)及化學(xué)組成;并對樣品的形成機理進一步研究，發(fā)現(xiàn)前驅(qū)體在模板上的吸附深度對樣品形貌起到關(guān)鍵性作用。以樣品作為鋰離子電池負極材料，研究其電化學(xué)性能。結(jié)果表明，隨著二氧化硅的殼層數(shù)的增加，其充放比容量依次增加。尤其是對于具有三層殼中空結(jié)構(gòu)的分級孔二氧化硅微球，它不但具有高的充放比容量又具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性

5、。
　　(2)、可控合成具有多殼中空結(jié)構(gòu)的分級孔氧化鑭微納米材料，并研究其形成機理和磷的移除性能。利用犧牲模板法合成具有單層、雙層及三層殼中空結(jié)構(gòu)的分級孔氧化鑭微球，樣品的殼層數(shù)能夠通過前驅(qū)體的負載量及煅燒梯度控制。通過對樣品的分析表征，研究了樣品的形貌結(jié)構(gòu)及化學(xué)組成;又對樣品的形成機理進行探究，提出了分段受熱原理。通過該機理的研究分析，前驅(qū)體的吸附深度及模板的分段受熱共同影響最終樣品的形貌結(jié)構(gòu)。特別是后者，更為緩慢的核殼受熱分離

6、過程使殼層具有更好的機械性能、良好的結(jié)構(gòu)完整性和穩(wěn)定性。它也使納米顆粒堆積更為復(fù)雜進而導(dǎo)致樣品具有更豐富的活性位點?；诖?，我們提出的分段受熱機理為合成具有相似結(jié)構(gòu)的材料提供理論依據(jù)。
　　(3)、具有三層殼中空結(jié)構(gòu)的分級孔氧化鑭微納米材料（記為THLM）作為污水處理中磷的吸附劑，研究其磷的移除性能。結(jié)果表明，樣品THLM對磷具有大的單分子層吸附能力（最大吸附量達到109.02 mg P/g），并且隨著吸附劑用量的增加其吸附性能逐

7、級增加。同時，THLM與磷之間的吸附主要為化學(xué)作用及顆粒間的內(nèi)擴散作用，其次THLM與磷間的吸附機理（即兩者間的吸附作用關(guān)系）主要為配體轉(zhuǎn)換機制。除此之外，THLM具有良好的酸堿適應(yīng)性及循環(huán)吸附性能?；谝陨涎芯?，THLM作為磷的吸附材料用于污水處理具有良好的應(yīng)用前景。
　　(4)、初步探討了可控合成具有多殼中空結(jié)構(gòu)的分級孔羥基磷灰石和氧化鋯微納米材料。利用犧牲模板法合成單層、雙層及三層殼中空結(jié)構(gòu)的分級孔羥基磷灰石和氧化鋯微球，其