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室温下氨基高分子诱导仿生合成微纳米结构TiO_2

严勇  
【摘要】:仿生矿化过程是指在温和条件下(常温,常压或pH中性)利用有机分子作为催化模板诱导合成一系列具有精细复杂结构的无机材料。二氧化钛作为一种用途广泛的金属氧化物,其仿生矿化过程(仿生钛化)被广泛研究。目前研究工作难以从分子层面了解诱导分子,钛前驱体与二氧化钛产物之间的相互作用,使该方法对所得产物的物理化学特性(尺寸、形貌、晶型、组分等)控制有限,并严重的阻碍了它的实际应用。 本论文使用不同分子结构的氨基高分子与钛前驱体作用,初步研究了氨基高分子与二氧化钛产物之间的相互作用关系,并利用这种有机-无机间的相互作用调控了所得二氧化钛的尺寸,形貌和晶型,最终得到了具有良好应用性能的产物。主要研究内容如下: 1.利用带不同基团的葡聚糖分子与硫酸钛相互作用,仿生合成了虫孔状的金红石相和锐钛矿相的二氧化钛,以及类球形的锐钛矿相的二氧化钛。实验结果表明壳聚糖上的氨基是诱导合成热力学稳定的金红石相的关键。质子化的氨基通过向二氧化钛释放质子,使其表面酸化并发生溶解再沉积过程,使得在室温下锐钛矿相转变金红石相。 2.通过使用两种具有不同氨基结构的阳离子聚电解质为诱导模板,以硫酸钛和二(2-羟基丙酸)二氢氧化二铵合钛(Ti-BALDH)为前驱体,在室温下通过酸碱催化机理,诱导合成了具有不同形貌和晶型的二氧化钛产物。在Ti(SO4)2反应体系中,伯胺类(-NH3+)高分子诱导前驱体逐步水解,形成锐钛矿-金红石混相空心结构,产物中金红石与锐钛矿纳米晶在10nm尺度下均匀混合,这种结构使得其在光催化应用中具有更高的光电子转移效率,从而表现出优异的光降解染料性能;而季胺类(-NR3+)高分子则能诱导Ti-BALDH迅速水解,形成锐钛矿-(β-TiO2)混相空心球。实验结果表明,溶液中聚电解质浓度,沉积时间,氨基种类及其憎水性是决定产物形貌和晶型的关键因素。 3.将溶剂绿(8-羟基芘-1,3,6-三磺酸三钠盐,带负电基团的芳香烃类分子)通过π-π堆叠修饰到石墨烯氧化物(GO)上,使得GO表面带有更多的负电基团,随后通过静电引力将带正电的赖氨酸富集到GO上,并以此为模板诱导Ti-BALDH水解,形成GO-TiO2复合材料。实验结果表明,GO上的溶剂绿对赖氨酸的富集起到了重要作用,并且赖氨酸聚合度对产物中二氧化钛的含量有重要影响。


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