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空气—水界面金属氧化物纳米薄膜的自组装体系

季红军  
【摘要】:在温和条件下,一种软化学制备方法——自组装技术能有效实现功能性无机-有机纳米复合材料的控制合成。本论文以阴离子表面活性剂为模板,蛋白质及聚合物等为改性剂,金属醇盐及金属盐为前驱体,依据静电自组装原理,制备了具有有序结构的空气-水界面金属氧化物纳米薄膜,深入分析了自组装体系中薄膜及底物的形貌、结构及组成,探讨了自组装机理,研究了部分自组装产物在光催化及气敏传感器中的应用。主要内容如下: 以萘磺酸(NSA)及萘磺酸钠(SNS)表面活性剂为模板,聚乙二醇(PEG)及牛血清蛋白(BSA)为改性剂,钛酸丁酯(Ti(OC4H9)4)为前驱体,自组装制备了空气-水界面TiO2非晶纳米薄膜,对部分TiO2薄膜进行热处理得到TiO2结晶纳米颗粒并研究了对亚甲基蓝(MB)溶液的光催化效果。结果表明:萘环间的π-π作用有助于NSA或SNS形成有序胶束,通过与前驱体的静电作用,形成了有序介孔片状TiO2薄膜和层状结构的TiO2底物;PEG提高了薄膜结构的分散性而BSA作用相反;TiO2薄膜及颗粒具有良好的光催化性能。 以十二烷基苯磺酸(DBSA)、十二烷基磺酸钠(SDS)、NSA及SNS为模板,葡萄糖(G)、PEG及BSA为改性剂,锆酸丁酯(Zr(OC4H9)4)为前驱体,自组装制备了空气-水界面ZrO2纳米薄膜,研究了体系中反荷离子、温度、有机溶剂等对ZrO2薄膜结构的影响。结果表明:(ZrO2+DBSA)薄膜主要由纳米圆盘聚集体组成,反荷离子作用顺序为:SO42-NO3-Cl-,对应结构为:模糊孔状结构蠕虫状孔结构多环层状结构,升高反应温度能明显改变圆盘内部结构,有机溶剂对于自组装过程具有阻碍作用;Glu、SDS和H2O通过氢键作用,有效提高了(ZrO2+SDS)薄膜的分散性并改变了结构;BSA与SDS通过“珍珠-项链模型”作用,对所形成的多环状ZrO2纳米圆盘具有稳定作用。 以SDS及DBSA为模板,明胶(G)为改性剂,锡酸异丁酯(Sn(OC4H9)4)为前驱体,自组装制备了空气-水界面SnO2纳米薄膜,自组装体系产物经热处理转变为SnO2纳米颗粒,测试了对C2H5OH、液化气以及H2的气敏性能。结果表明:(SnO2+SDS)薄膜为介孔片状结构,(SnO2+SDS+G)薄膜为圆盘聚集体结构;气敏传感器对目标气体有良好响应;(SnO2+DBSA)薄膜自组装体系中存在介孔及层状结构,C4H9OH、H2O及DBSA间的氢键作用对有序结构的形成具有重要作用。 以2-SNS, SDS, DBSA等为模板,Ti(OC4H9)4, Zr(OC4H9)4, Sn(OC4H9)4, MCl2·xH2O (M=Mg, Co, Ni, Cu或Zn)等为复合前驱体,自组装制备了TiO2-MO, ZrO2-SnO2, ZrO2-MO纳米薄膜及ZnO-SnO2佼体纳米颗粒。(TiO2-ZnO+2-SNS)薄膜由立方体状颗粒组成,能有效催化降解MB; (ZrO2-SnO2+SDS)蔳膜具有超晶格带状结构;(ZnO-SnO2+DBSA)胶体颗粒为纳米圆盘结构,对多种气体(CH3COCH3, C2H5OH, CH3COOH以及HCHO)具有良好的气敏响应。


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