功能性纳米二氧化硅材料的制备与性质研究

论文摘要

我国是个农业大国,近几年小麦产量都超过2亿吨,居世界首位,同时每年也产生大量的小麦秸杆等废料。其可用于造纸业、燃料发电、发酵制沼气,供生产墙体材料等。在中国北方的农村植物秸秆过去大部分被农民用来取暖、煮饭等日常生活,随着农村生活水平的提高,天然气等新能源的介入,农村中更多的体现将秸秆在田间直接煅烧,此种过程造成严重的大气污染。尽管有少数集中煅烧（如发电厂的建立）,产生大量的灰分也越来越受到关注。小麦秸杆煅烧过后的灰分中含有大量的非晶态二氧化硅,如何利用此硅源进行介孔、纳米材料的合成是本文研究的出发点。禾本科植物中含有较多的硅,小麦植株就是此类禾本科植物的典型代表。植硅体是沉积于这些高等植物体内（细胞腔内部或细胞间的间隙）的含水非晶态二氧化硅。本文重点研究了小麦（茎秆、叶片、壳）中的植硅体的形态,总结了小麦中植硅体的多种常见形态,如椭圆形、帽形、圆形、长圆形、矩形、多刺棒形、三角形、圆盘形等,以及其它少量存在的不规则形态；并详细描述了各种植硅体的大小和形态特征以及在小麦植株中各个部位的分布情况；尤其值得一提的是,发现了已有文献中极少提到的圆盘形植硅体,并做了详尽的描述。论文中比较了干化法、湿化法、菌解法等方法对提取小麦秸杆中植硅体结构的影响,发现干化法和湿化法对纤维素、半纤维素、木质素等有机物质去除得较为彻底,得到了清晰地微米尺寸的植硅体；圆形和长圆形植硅体在小麦秸杆的表皮细胞中极为常见,形状特征明显均一；并分析了小麦植株中硅的来源与反应状况。通过对植硅体的元素分析、显微镜照片等实验手段,推测植硅体为天然形成的核壳结构,其内核为有机物质。本文以小麦秸杆中提取出的植硅体为原料,经过强酸处理并于高温下煅烧的方法制备出了纳米尺寸的二氧化硅材料。对样品分别进行了光学显微镜、透射电子显微镜、扫描电子显微镜、红外光谱、X射线衍射、电子能谱、氮气吸附脱附等测试。发现经硝酸处理并于400℃煅烧2h的反应条件为最佳,得到了粒径300nm的硅球,硅球大小均一,分散性较好。还发现硝酸比盐酸和硫酸的处理效果要好；煅烧温度越高,得到的SiO2颗粒形状越不规则,粘连越严重,分散性越差。介孔材料的制备多以表面活性剂的自组装体系为模板,通过液晶模板机理或协同作用机理来反应制备完成的。在催化剂、催化剂载体、色谱填充材料、吸附与分离技术、主客体化学、材料合成模板等领域具有广泛的应用前景。本文以小麦秸杆的无机灰分为硅源,采用十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）为模板剂合成了质量极高的高纯高比表面的介孔二氧化硅材料。并且利用红外光谱、X射线衍射、氮气吸附一脱附、高分辨透射电镜、扫描电子显微镜等技术对合成材料进行了表征。结果显示1.0 SiO2:1.1 NaOH:0.27 CTAB:110 H2O为最佳反应配比,120℃水热处理为最佳反应条件,合成的样品孔径在2.2-4 nm之间,其范围为典型的MCM-41介孔材料范围内。其中,BET比表面积高达1312 m2／g。本文的意义在于总结了济南地区小麦秸杆中植硅体的形态以及分类情况,为考古学和植物学提供了一定的信息；以小麦秸杆为原料制备了纳米二氧化硅材料,开辟了合成二氧化硅材料的绿色新途径；并打破了传统的以TEOS为硅源的合成方法,以廉价环保的小麦秸杆为硅源,在表面活性剂为模板的参与下成功制备了高质量高比表面的MCM-41介孔材料。小麦秸杆原材料丰富且成本低廉,实现了变废为宝,农业大宗废料的资源化利用,具有积极的社会意义和经济效益,为制备二氧化硅材料提供了一条新思路。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 前言
• 1.1 植物中的硅
• 1.1.1 植物中硅的矿化及作用
• 1.1.2 植物中硅的分布与含量
• 1.1.3 植硅体的形成及特征
• 1.1.4 禾本科植物中硅的提取
• 1.1.4.1 直接煅烧法
• 1.1.4.2 酸处理后煅烧法
• 1.1.4.3 热溶液法
• 1.1.4.4 氢氧化钠预处理法
• 2的应用'>1.1.4.5 灰分中提取SiO₂的应用
• 1.2 纳米二氧化硅
• 1.2.1 纳米二氧化硅的性能
• 1.2.2 纳米二氧化硅的应用
• 1.2.3 纳米二氧化硅的制备
• 1.2.3.1 干法
• 1.2.3.2 微乳液法
• 1.2.3.3 溶胶-凝胶法
• 1.2.3.4 超重力法
• 1.2.3.5 由碱金属的硅酸盐制备纳米二氧化硅
• 1.2.3.6 利用蛇纹石制备纳米二氧化硅
• 1.2.3.7 利用硅灰石制备二氧化硅
• 1.2.3.8 由稻壳提取高纯二氧化硅
• 1.3 介孔二氧化硅
• 1.3.1 介孔材料的定义
• 1.3.2 介孔材料的合成机理
• 1.3.2.1 液晶模板机理
• 1.3.2.2 协同作用机理
• 1.3.3 表面活性剂的分类
• 1.3.3.1 阴离子表面活性剂
• 1.3.3.2 阳离子表面活性剂
• 1.3.3.3 非离子表面活性剂
• 1.3.3.4 两性表面活性剂
• 1.3.3.5 特殊表面活性剂
• 1.3.4 介孔材料的应用
• 1.3.4.1 催化剂
• 1.3.4.2 生物和医药领域的应用
• 1.3.4.3 在环境保护领域的应用
• 1.3.4.4 在功能材料领域的应用
• 1.4 课题的研究目的和研究内容
• 第二章 小麦中植硅体形态的初步研究与分类
• 2.1 植硅体
• 2.1.1 植物中的硅元素
• 2.1.2 植硅体的形态
• 2.2 植硅体的化学成分分析
• 2.2.1 实验方法
• 2.2.2 化学分析
• 2.3 小麦中植硅体形态分类
• 2.3.1 植硅体提取
• 2.3.2 小麦植硅体形态的分类
• 2.4 本章小结
• 第三章 小麦植株中的硅及纳米二氧化硅的制备
• 3.1 小麦中的硅
• 3.1.1 植物中硅的沉积
• 3.1.2 植物中纳米硅的提取和应用
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 实验药品
• 3.2.2 实验仪器
• 3.2.3 实验步骤
• 3.2.3.1 小麦中植硅体的研究
• 3.2.3.2 小麦制备纳米Si02材料
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 小麦中植硅体的研究
• 3.3.1.1 光学显微镜测试
• 3.3.1.2 SEM测试
• 3.3.1.3 烧失量测试
• 3.3.1.4 FTIR测试
• 3.3.1.5 元素分析
• 3.3.1.6 XRD测试
• 2材料的制备'>3.3.2 小麦中纳米SiO₂材料的制备
• 3.3.2.1 FTIR测试
• 3.3.2.2 XRD测试
• 3.3.2.3 TEM测试
• 3.3.2.4 SEM
• 3.3.2.5 N2-吸附脱附
• 3.4 本章小节
• 第四章 小麦中的硅制备介孔二氧化硅材料
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 实验药品
• 4.2.2 实验仪器
• 4.2.3 实验步骤
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 水热处理的影响
• 4.3.2 表面活性剂浓度的影响
• 4.3.3 温度的影响
• 4.3.4 MCM-41的其它表征方法
• 4.3.4.1 FTIR测试
• 4.3.4.2 HRTEM测试
• 4.3.4.3 SEM测试
• 4.3.4.4 N2-吸附脱附测试
• 4.4 本章小节
• 附录1
• 附录2
• 参考文献
• 致谢
• 学位论文评阅及答辩情况表