纳米氧化镁及其掺杂粉体的制备与吸附、抗菌性能

论文摘要

纳米氧化镁（MgO）作为一种新型的多功能无机材料,在许多领域有着广阔应用前景,尤其是在与人类生存和健康密切相关的环境净化和抗菌方面显示了独特的优势。在氧化物的晶格中掺入外来元素会产生空位、间隙原子、置换原子和位错等晶格缺陷,而这些缺陷的产生可以在一定程度上促进母体氧化物的物理和化学性能。本文正是基于这一点,选用与Mg2+离子半径相近的Ti4+、Zn2+和Li+三种不同价态的金属离子作掺杂剂,拟通过掺杂来提高纳米MgO的吸附和抗菌性能。首先简要概述了MgO在环境净化和抗菌方面的研究进展以及纳米MgO的制备方法和掺杂改性的研究。然后采用修饰沉淀法或溶胶-凝胶法分别制备了纳米MgO和掺杂纳米MgO粉体,研究了制备工艺参数及掺杂对粉体结构、形貌的影响。最后,研究了三种不同离子掺杂对纳米MgO粉体的吸附和抗菌性能的影响,在此基础上初步探讨掺杂促进性能的机理。主要包括以下几方面:以聚乙二醇（PEG）为分散剂,采用直接化学沉淀法制备了纳米MgO粉体。正交实验结果显示:反应温度对晶粒影响最大,其它影响因素依次为PEG用量、反应时间、氨水用量和Mg2+浓度;就收率而言,氨水用量影响最大,PEG用量和反应时间次之,反应温度的影响更次之,Mg2+浓度的影响最小。确定纳米MgO的制备工艺条件为:氨水用量8mL,Mg2+浓度0.5mol/L,PEG用量8mL,反应温度50℃,反应时间1.5h,煅烧温度500℃。PEG对粉体颗粒的形状和大小有影响,在Mg（OH）2成核数少时,形成了片状形貌;随着成核数的增加,形成了细小颗粒密堆的“网络”状形貌。以冰乙酸作修饰剂,不仅可以避免了直接沉淀法中局部沉淀剂浓度过高,发生不均匀沉淀的现象,还可以促进前驱体Mg（OH）2晶体在（001）面的取向生长,降低由氢氧化物到氧化物热分解温度,有利于氧化物的晶化。直接沉淀法制备的掺钛纳米MgO,得到的粉体颗粒尺寸随着掺钛量的增加而显著增大,硬团聚严重;而修饰沉淀法制备的样品颗粒尺寸随着掺钛量的增加而减小,且团聚少,分散性好。制得的前躯体在500℃下煅烧后,所有样品均只有MgO相,而经800℃煅烧,掺钛量大于1mol%的样品中有含钛的杂相析出,因而可以确认钛在MgO晶格中固溶度为1mol%左右。随着掺钛量的增加,MgO的结晶性能降低,晶粒变小。在修饰沉淀法制备了掺锌纳米MgO中,研究发现锌含量的增加对衍射峰的强度和晶粒及颗粒大小基本上没有影响。与未加冰乙酸制备的样品相比,使用冰乙酸制得的粉体晶粒尺寸大,结晶性能好。说明冰乙酸在此制备过程中的促进了由氢氧化物到氧化物的转变,有利于产物的晶化,这与修饰沉淀法制备纳米MgO中的结论是一致的。采用廉价的无机溶胶-凝胶法制备了纳米MgO及掺锂纳米MgO。在制备纳米MgO过程中,溶剂用量、反应温度和柠檬酸用量对凝胶时间和晶粒都有不同程度的影响。干凝胶的热处理采用了在低温下分步预处理一段时间,然后在600℃下煅烧2h,可以制得白色的高纯纳米MgO。掺锂后干凝胶的热分解温度向高温方向偏移。600℃煅烧后,0.5% Li和1% Li样品中只有MgO相,而掺锂量高的样品中均有杂相。随着掺锂量的增加,衍射峰强度变强,晶粒和颗粒尺寸都变大,形貌也由粒状变成了薄片状。经800℃煅烧,所有掺锂样品中都有杂相存在,衍射峰更尖锐,强度更强。以甲基橙和大肠杆菌为模型来研究所制备粉体的吸附性能和抗菌性能。纳米MgO的吸附性能随着晶粒的变小,对甲基橙的吸附量变大,吸附速率也变快。随着处理温度的升高,达到吸附平衡时的吸附量略有增加,但吸附速率变慢。掺钛MgO对甲基橙的吸附性能都较纯MgO的好,其中1% Ti样品的吸附性能最好;掺锌MgO的吸附性能开始随着掺锌量的增大而减弱,但当掺锌量达到15mol%时,吸附速率虽减慢,但平衡时的吸附量反而增大;掺锂MgO的吸附性能随着掺锂量的增加而逐渐减弱。对大肠杆菌实验表明,掺钛MgO的抗菌性能均较纯MgO的差;掺锌MgO样品中,5% Zn和10% Zn具有良好的杀菌性能,而1% Zn几乎没有抗菌作用;1% Li和5% Li的抑菌性能与纯MgO基本相当,而10% Li的抑菌效果稍好一些。掺锂MgO的杀菌率均达99%以上,显示了优良的杀菌性能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 本课题研究的背景和意义
• 1.2 氧化镁的结构、基本常数及特性
• 1.3 氧化镁在环境净化方面的研究概述
• 1.4 氧化镁在抗菌方面的研究概述
• 1.5 氧化镁在其它领域的研究概述
• 1.6 纳米氧化镁粉体的制备方法
• 1.6.1 气相法
• 1.6.2 液相法
• 1.6.3 固相法
• 1.7 纳米氧化镁的掺杂改性研究
• 1.8 本课题的研究目的和研究内容
• 1.8.1 本课题的研究目的
• 1.8.2 本课题的研究内容
• 2 化学沉淀法制备纳米氧化镁
• 2.1 前言
• 2.2 纳米氧化镁的制备
• 2.2.1 主要仪器与试剂
• 2.2.2 纳米氧化镁的制备过程
• 2.2.3 表征方法
• 2.3 实验参数的确定
• 2.3.1 正交实验的因素和水平
• 2.3.2 正交实验的结果与分析
• 2.3.3 煅烧温度的确定
• 2.4 PEG 在制备过程中的作用及其机理
• 2.4.1 PEG 对氧化镁形貌、结构的影响
• 2.4.2 PEG 的作用机理
• 2.5 本章小结
• 3 修饰化学沉淀法制备纳米氧化镁
• 3.1 引言
• 3.2 修饰沉淀法制备粉体
• 3.2.1 主要仪器与试剂
• 3.2.2 制备过程
• 3.2.3 表征方法
• 3.3 前驱体及产物的表征与分析
• 3.3.1 红外光谱分析
• 3.3.2 物相结构分析
• 3.3.3 前驱体的热分析
• 3.3.4 粉体的形貌表征
• 3.3.5 冰乙酸的修饰机理
• 3.4 本章小结
• 4 掺钛纳米氧化镁的制备
• 4.1 引言
• 4.2 直接化学共沉淀法
• 4.2.1 直接沉淀法制备掺钛纳米氧化镁
• 4.2.2 产物的表征与分析
• 4.3 修饰化学共沉淀法
• 4.3.1 修饰沉淀法制备掺钛纳米氧化镁
• 4.3.2 纳米粉体的表征与分析
• 4.3.3 冰乙酸修饰作用的初探
• 4.4 本章小结
• 5 掺锌纳米氧化镁的制备
• 5.1 引言
• 5.2 样品的制备
• 5.2.1 主要仪器与试剂
• 5.2.2 样品的制备过程
• 5.2.3 粉体的表征方法
• 5.3 产物的表征与分析
• 5.3.1 物相结构分析
• 5.3.2 元素含量分析
• 5.3.3 粉体的形貌表征
• 5.3.4 未使用冰乙酸的产物物相分析
• 5.4 本章小结
• 6 溶胶-凝胶法制备掺锂纳米氧化镁
• 6.1 引言
• 6.2 掺锂纳米氧化镁的制备
• 6.2.1 主要仪器与试剂
• 6.2.2 掺锂纳米氧化镁的制备过程
• 6.2.3 表征方法
• 6.3 实验参数对氧化镁晶粒大小和凝胶时间的影响
• 6.3.1 溶剂（水）用量对晶粒大小和凝胶时间的影响
• 6.3.2 反应温度对晶粒大小和凝胶时间的影响
• 6.3.3 柠檬酸用量对晶粒大小和凝胶时间的影响
• 6.4 产物及前驱体的表征与分析
• 6.4.1 红外光谱分析
• 6.4.2 干凝胶的TGA-DTA 分析
• 6.4.3 物相结构分析
• 6.4.4 粉体的形貌表征
• 6.4.5 锂掺杂对干凝胶热分解的影响
• 6.5 本章小结
• 7 粉体的吸附与抗菌性能研究
• 7.1 引言
• 7.2 实验部分
• 7.2.1 主要仪器与试剂
• 7.2.2 吸附性能测试
• 7.2.3 抗菌性能测试
• 7.3 粉体的吸附性能
• 7.3.1 纳米氧化镁的吸附性能
• 7.3.2 掺钛纳米氧化镁的吸附性能
• 7.3.3 掺锌纳米氧化镁的吸附性能
• 7.3.4 掺锂纳米氧化镁的吸附性能
• 7.4 粉体的抗菌性能
• 7.4.1 掺钛纳米氧化镁的抗菌性能
• 7.4.2 掺锌纳米氧化镁的抗菌性能
• 7.4.3 掺锂纳米氧化镁的抗菌性能
• 7.4.4 不同类型掺杂粉体的杀菌效果对比图
• 7.5 掺杂促进吸附和抗菌性能的机理初探
• 7.6 本章小结
• 8 全文总结与展望
• 8.1 全文总结
• 8.2 进一步研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录 攻读博士学位期间发表的论文目录