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介孔二氧化硅材料的合成、形貌控制、组装及其性能研究

金红晓  
【摘要】:有序的介孔材料是指以表面活性剂形成的超分子结构为模板剂,利用溶胶—凝胶工艺,通过有机物和无机物之间的界面定向引导作用组装成的一类孔径在1.5nm至50nm、孔径分布较窄并且具有规则孔道结构的无机多孔材料。它具有极高的比表面积、孔道大小均匀、排列有序、孔径可在2nm至50nm范围内连续调节等特性,使其在分离提纯、生物材料、化学工业、催化、信息通讯、环境、能源、新型组装材料(或作为纳米反应器制备具有特殊光、电、磁等性能的新型纳米材料等)等领域具有多种潜在的用途,尤其是介孔在生物科学如蛋白质固定分离、生物芯片、生物传感器、药物的包埋和控释等方面具有广阔的应用前景。因此,有序介孔材料倍受关注。自1992年发现以来,有序介孔材料得到国际物理学、化学与材料学界的高度重视,并迅速发展成为跨学科的研究热点之一。本论文从介孔材料的基础研究(合成和形貌控制)和潜在的应用研究(组装和性能)两方面入手研究纯硅介孔材料。 在基础研究方面,选取了SBA-16为研究对象。本论文首先以XRD表征为监测手段,详细考察了F127-H_2O-TEOS-HCl四元体系中生成SBA-16一些影响因素。结果表明,在一定温度条件下(24-34℃),相当宽的配比范围内(1TEOS:(2.5-7.5)HCl:(0.002-0.005)F127:(90-220)H_2O),均可以合成出SBA-16;并且相生成时间与结构存在某种对应关系:不同的配比、温度条件下,在30~60min内能产生沉淀的产物,通常结构较好。基于这个结果,提出了简单的介孔相生成的时间判据。 形貌表征的结果表明,在F127-H_2O-TEOS—HCl四元体系下得到了十八面体、十二面体单晶以及球形形貌的介孔二氧化硅SBA-16。十八面体、十二面体单晶具有高度有序孔道、其大小在2~6μm。在非离子型嵌段聚合物为模板剂的合成体系中,十八面体属首次发现。本论文在不加其它无机物的条件下得到了十二面体,与文献报道相比(需要添加无机物),简化了合成条件。球形形貌则显示了较为少见的高度有序孔道。通过实验结果,我们认为不同形貌介孔二氧化硅材料的生成过程实质上是纳米尺度的胶束—硅的颗粒在微米尺度自组装。 在潜在的应用研究方面,选取了杂多酸(HPA)、氧化铁与多种介孔二氧化硅材料的复合材料为研究对象。首先,用化学方法将杂多酸(H_5GeW_(11)VO_(40))固


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