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《吉林大学》 2017年
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非球形中空聚合物纳米结构的构筑、功能化及性质研究

相思源  
【摘要】:中空纳米结构是一系列内部具有空腔,结构尺寸在纳米尺度的材料的总称。作为功能材料家族中的一员,中空纳米结构将功能性壳层与结构内部的空腔相结合,降低了密度、增大了比表面积、并缩短了电荷和物质传输的路径。基于其独特的物理化学性质,中空纳米结构在现有及新兴领域均引起了人们极大地研究兴趣,并在催化、生物医药、光电、环境等诸多领域具有广泛的应用前景。在过去的十年中,研究者们设计并建立了多种用于制备中空纳米结构的方法,如层层组装法、微乳液法、自模板法、奥斯瓦尔德熟化法等。尽管这些构筑方法已经得到了广泛的应用,但由于具有非球形的模板材料较为稀少,构筑具有各向异性形貌的中空纳米结构仍然存在困难。除此之外,大多数构筑方法都针对于无机中空纳米结构的制备,设计和建立聚合物中空纳米结构的制备方法仍然是一向挑战。本文中,我们建立了一种新型的用于制备中空聚合物纳米结构的方法。该方法基于“配位竞争诱导聚合”的机理,通过边拆解边聚合的方式实现中空聚合物纳米结构的构筑。该方法设计新颖、思路巧妙、制备条件温和,为构筑一系列基于聚合物的中空结构提供了研究平台。此外,通过对该方法的反应条件进行调控和引入功能性的纳米微粒,还实现了对所制备的中空聚合物纳米结构的功能化,使其在生物医药、能源等领域具有广泛的应用前景。第二章中,首先以金属有机框架化合物ZIF-8为模板材料,多巴胺(DA)为单体制备了中空聚多巴胺纳米结构,并以此为例对配位竞争诱导聚合(CCIP)法的机理进行了详细的研究,并理论计算结合能对该机理进行了论证。通过对反应过程进行监控,了解了中空纳米结构的形成;通过调节实验条件,实现了对产物的结构、尺寸、壳厚等参数的精确调控;通过进一步拓展模板材料,制备了具有不同形貌、不同金属阳离子配位的中空聚多巴胺纳米结构;通过进一步拓展单体,得到了不同的中空聚合物纳米结构。进一步对所制备的纳米结构进行生物毒性、药物负载以及光热升温等方面的测试,结果表明该材料在这几方面均具有出色的性能表现,为其在生物医药领域的应用提供了可行性。第三章中,通过引入功能性纳米微粒——金纳米棒(AuNRs),对所制备的中空聚多巴胺纳米结构进行了功能化。通过表面配体(PVP)修饰,能够很容易地将AuNRs引入到模板材料当中,且形成中空结构之后AuNRs仍然保留在体系当中;通过对所制备的纳米结构(AuNRs@PDA NCTs)的形貌结构进行表征,结果表明AuNRs的引入对中空PDA纳米结构没有明显的影响;进一步对其性能进行表征,AuNRs@PDA NCTs具有良好的生物相容性、出色的光热升温性能、较高的药物负载量及可控释放性能。在体外细胞及裸鼠体内肿瘤实验中,负载了抗癌药物的AuNRs@PDA NCTs均表现出较好的光疗-化疗协同抗癌效果。此外,由于AuNRs的引入,纳米结构在CT成像方面也表现出了不错的性能。第四章中,通过引入Fe_3O_4纳米粒子,并对中空聚合物结构进行碳化处理,制备了负载有Fe_3O_4的十二面体中空碳纳米笼(Fe_3O_4/C NCs)。利用此方法制备的碳纳米笼对于Fe_3O_4的负载量较大,尺寸、结构精确可控,且以聚合物作为碳源实现了N掺杂。基于Fe_3O_4纳米粒子较好的电化学性能及中空碳纳米笼的内部大空腔结构,我们对所制备的Fe_3O_4/C NCs的锂离子电池性能进行了考察。结果显示,Fe_3O_4/C NCs作为负极材料具有较好的稳定性和倍率性能,有效的缓解了Fe_3O_4纳米粒子在电池充放电过程中产生的聚集和体积膨胀带来的结构破坏。进一步的高温结晶处理,所制备的Fe_3O_4/C具有出色的循环比容量,在锂离子电池领域具有出色的应用潜力。除此之外,我们还对基于CCIP法制备的其它类型的中空纳米结构进行了碳化和锂离子电池方面的测试,得到了较好的实验效果。总之,我们建立了一种基于“配位竞争诱导聚合”机理的制备方法来构筑具有非球形的中空聚合物纳米结构。该方法不仅为中空聚合物纳米结构的合成提供了思路和平台,也为具有实际应用潜力的功能性纳米结构的制备提供了可能性。通过理论探索与实际应用相结合的研究思路,实现了对中空聚合物纳米结构的制备、功能化及其性能方面的研究,推动了纳米技术在基础研究和应用技术方面的发展。
【学位授予单位】:吉林大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TB383.1;O631

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