空气—水界面金属氧化物纳米薄膜的自组装体系

论文摘要

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。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 纳米科学与技术
• 1.1.1 纳米科学与技术定义
• 1.1.2 纳米科学与技术发展的主要历程
• 1.1.3 纳米材料
• 1.2 自组装技术
• 1.2.1 自组装分类
• 1.2.2 自组装特征
• 1.2.3 自组装合成纳米材料
• 1.3 模板法自组装
• 1.4 表面活性剂
• 1.4.1 表面活性剂定义及分类
• 1.4.2 表面活性剂胶束
• 1.4.3 表面活性剂/无机纳米材料自组装
• 1.5 纳米薄膜自组装
• 1.6 空气-水界面纳米薄膜自组装
• 1.6.1 国外研究现状
• 1.6.2 国内研究现状
• 1.7 本论文的研究目的、主要工作及创新点
• 1.7.1 研究目的
• 1.7.2 主要工作
• 1.7.3 创新点
• 2纳米薄膜的自组装体系'>2 TiO₂纳米薄膜的自组装体系
• 2.1 引言
• 2纳米薄膜'>2.2 以1-萘磺酸钠（1-SNS）为模板自组装TiO₂纳米薄膜
• 2.2.1 实验部分
• 2.2.2 结果与讨论
• 2纳米薄膜'>2.3 以2-萘磺酸（2-NSA）和2-萘磺酸钠（2-SNS）为模板自组装TiO₂纳米薄膜
• 2.3.1 实验部分
• 2.3.2 结果与讨论
• 2.4 本章小结
• 2纳米薄膜的自组装体系'>3 ZrO₂纳米薄膜的自组装体系
• 3.1 引言
• 2纳米薄膜'>3.2 以十二烷基苯磺酸（DBSA）为模板自组装制备ZrO₂纳米薄膜
• 3.2.1 实验部分
• 3.2.2 结果与讨论
• 2纳米薄膜'>3.3 以十二烷基磺酸钠（SDS）为模板自组装ZrO₂纳米薄膜
• 3.3.1 实验部分
• 3.3.2 结果与讨论
• 2纳米薄膜'>3.4 以萘磺酸（NSA）及萘磺酸钠（SNS）为模板自组装ZrO₂纳米薄膜
• 3.4.1 实验部分
• 3.4.2 结果与讨论
• 3.5 本章小结
• 2纳米薄膜的自组装体系'>4 SnO₂纳米薄膜的自组装体系
• 4.1 引言
• 2纳米薄膜'>4.2 以十二烷基磺酸钠（SDS）为模板自组装SnO₂纳米薄膜
• 4.2.1 实验部分
• 4.2.2 结果与讨论
• 2纳米薄膜'>4.3 以十二烷基苯磺酸（DBSA）为模板自组装SnO₂纳米薄膜
• 4.3.1 实验部分
• 4.3.2 结果与讨论
• 4.4 本章小结
• 5 复合金属氧化物纳米薄膜的自组装体系
• 5.1 引言
• 2-ZnO纳米薄膜'>5.2 以2-萘磺酸钠（2-SNS）为模板自组装TiO₂-ZnO纳米薄膜
• 5.2.1 实验部分
• 5.2.2 结果与讨论
• 2-MO（M=Mg,Co,Ni,Cu,Zn）纳米薄膜'>5.3 以十二烷基磺酸钠（SDS）为模板自组装TiO₂-MO（M=Mg,Co,Ni,Cu,Zn）纳米薄膜
• 5.3.1 实验部分
• 5.3.2 结果与讨论
• 2-SnO₂纳米薄膜'>5.4 以SDS为模板自组装ZrO₂-SnO₂纳米薄膜
• 5.4.1 实验部分
• 5.4.2 结果与讨论
• 2-MO（M=Ni,Cu,Zn）纳米薄膜'>5.5 以十二烷基苯磺酸（DBSA）为模板自组装ZrO₂-MO（M=Ni,Cu,Zn）纳米薄膜
• 5.5.1 实验部分
• 5.5.2 结果与讨论
• 2胶体纳米颗粒'>5.6 以DBSA为模板自组装ZnO-SnO₂胶体纳米颗粒
• 5.6.1 实验部分
• 5.6.2 结果与讨论
• 5.7 本章小结
• 全文结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录