功能性氧化硅微/纳米材料的制备与性质研究

论文摘要

本文主要对功能性二氧化硅微纳米材料的制备与性质进行了研究,获得一些创新性结果。这些研究对硅材料的合成与应用,以及玉米植株的合理开发提供了良好的途径。1.植硅石与玉米植株中的硅植硅石是沉淀于某些高等植物体内（细胞壁、细胞腔内部或细胞之间的间隙）的含水非晶态二氧化硅。许多资料显示,禾本科植物中含有较多的硅,玉米植株是禾本科植物的典型代表。因此,这里重点研究了玉米（秆、叶片、根）中的植硅石。并深入讨论了直接燃烧法、酸处理法、酸碱处理法、酶处理法对玉米植株中植硅石的影响。发现直接燃烧法在500℃燃烧8h可以获得形貌较为完整的植硅石;酸处理法获得了纳米级的硅球,并对不同的酸处理结果做了对比,发现在400℃硝酸处理2h的反应条件最佳,得到了粒径200nm的硅球;样品经酶处理后,发现酶对植硅石影响不大,但比较严重的影响了纤维素、半纤维素、木质素的形貌和结构。对样品分别进行了显微镜、透射电镜、扫描电镜、红外光谱、X射线衍射、电子能谱等分析。最后,推测了玉米植株中硅的来源与反应状况,推测了玉米植株内微米级硅球转化为纳米级硅球的过程。2.SiO2微孔材料的制备按照国际纯粹和应用化学联合会（IUPAC）的定义,多孔材料孔径在2-50nm之间的材料称之为介孔材料,低于2nm称为微孔材料。超微孔材料一般是指其孔径介于微孔和介孔临界区间即在1.0-2.0nm范围内的孔材料,其合成思路、材料性质与介孔材料相似。介孔材料的制备多以表面活性剂的自组装体系为模板,通过溶胶-凝胶化学反应来完成的。在催化剂、催化剂载体、色谱填充材料、吸附与分离技术、环保、主客体化学、材料合成模板等领域具有广泛的应用前景。本文以三种不同的小分子水凝胶（Fmoc-D-丙氨酸-D-丙氨酸二肽、Fmoc-D-丙氨酸-L-苏氨酸二肽、Fmoc-D-丙氨酸-L-酪氨酸二肽）为模板合成了超微孔二氧化硅材料,并且利用紫外光谱、红外光谱、X射线衍射、N2吸附一脱附、透射电镜、高分辨透射电镜等技术对合成材料进行了表征。结果显示其孔径在1.0-2.0nm之间,其范围在超微孔材料范围内。其中,最大的BET比表面积达880.353m2/g。3.纳米SiO2粒子的改性及SiO2-Ag异二聚体的形成由TEOS、A-151和KH570合成了改性的纳米二氧化硅,改性后的纳米二氧化硅具有较好的疏水性。对改性前后的纳米二氧化硅表面进行表征,证明了该实验方法可以有效的分散其聚集体。由XRD分析证明改性前后硅球的状态都是无定形态;而FTIR测试证明A-151和KH570确实已经和纳米二氧化硅表面的羟基发生了化学反应;TEM测试证明了改性后的纳米二氧化硅达到了纳米级的分散。除此之外,我们还分别用亲水、疏水两种硅球合成了SiO2-Ag的异二聚体。发现,对于亲水的硅球而言,小粒径的硅球更容易形成异二聚体,大粒径的硅球则容易形成纳米复合微球。而对疏水的硅球来讲,低温时的反应更容易获得SiO2-Ag异二聚体。所有的实验结果由TEM来证明。本论文的新颖之处:1.本论文主要研究了玉米植株中植硅石的存在、来源和形貌,对比了直接燃烧、三种常见酸、酸和碱、三种混合酶对玉米植株中纤维素、半纤维素、木质素、植硅石形貌的影响。并对微米级的植硅石进行破坏得到了纳米级的硅球。2.用一种新颖的模板剂——小分子水凝胶（包括Fmoc-D-丙氨酸-D-丙氨酸二肽、Fmoc-D-丙氨酸-L-苏氨酸二肽、Fmoc-D-丙氨酸-L-酪氨酸二肽）合成了具有较高比表面积的二氧化硅超微孔材料,并用溶剂洗涤法去除了模板剂。3.用常见的溶胶-凝胶法,调节合适的酸度,用正硅酸已酯直接与硅烷偶联剂反应获得了粒径约100nm的亲油的二氧化硅粒子。用超声波法用亲水、亲油两种不同的硅球合成了SiO2-Ag的异二聚体和纳米复合微球。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 前言
• 1.1 植物中的硅
• 1.1.1 植物硅含有的特点与形态
• 1.1.2 植物中硅的矿化及其优点
• 1.1.3 植硅石及植硅石分析
• 1.1.3.1 植硅石的特征
• 1.1.3.2 植硅石分析
• 1.1.4 禾本科植物灰份中纳米硅的提取
• 1.1.4.1 直接燃烧法
• 1.1.4.2 酸处理后燃烧
• 1.1.4.3 热溶液法
• 1.1.4.4 与碳酸钠反应
• 1.1.4.5 用氢氧化钠预处理
• 2的应用'>1.1.4.6 灰分中提取SiO₂的应用
• 1.2 介孔材料概述
• 1.2.1 多孔材料的概念
• 1.2.2 介孔材料的概念及特征
• 1.2.3 介孔材料的合成途径
• 1.2.4 自组装模板剂简介
• 1.2.4.1 阳离子表面活性剂
• 1.2.4.2 阴离子表面活性剂
• 1.2.4.3 非离子表面活性剂
• 1.2.4.4 两性表面活性剂
• 1.2.4.5 嵌段共聚物模板
• 1.2.4.6 生物模板
• 1.2.4.7 其他模板
• 1.2.5 介孔材料的形成机理
• 1.2.6 介孔材料的表征方法
• 1.2.6.1 电镜技术
• 1.2.6.2 吸附-脱附技术
• 1.2.6.3 X射线衍射技术
• 2及相关产物'>1.3 溶胶-凝胶法合成SiO₂及相关产物
• 2纳米粒子'>1.3.1 溶胶-凝胶法合成SiO₂纳米粒子
• 2的特点'>1.3.1.1 溶胶-凝胶法合成SiO₂的特点
• 2纳米粒子的原理'>1.3.1.2 溶胶-凝胶法合成SiO₂纳米粒子的原理
• 2纳米粒子的性质'>1.3.1.3 SiO₂纳米粒子的性质
• 2'>1.3.2 溶胶-凝胶法合成介孔SiO₂
• 1.4 异二聚体的合成
• 1.4.1 异二聚体纳米粒子的分类
• 1.4.2 异二聚体纳米粒子的制备方法
• 1.4.2.1 由于反润湿作用在一种粒子上吸附溶液中的另一种粒子
• 1.4.2.2 由控制表面晶体成核现象在一种粒子上吸附溶液中的另一种粒子
• 1.4.2.3 超声波法（ultrasonication）
• 1.4.2.4 促使晶格重新分配或破坏合金的有序性形成异二聚体
• 1.4.2.5 其他方法
• 1.4.3 异二聚体纳米粒子的应用及进展
• 1.5 研究课题的提出背景、研究目的和研究内容
• 第二章 玉米植株中的硅
• 2.1 玉米植株简介
• 2.1.1 植物的特征及玉米的类别
• 2.1.2 蒸腾作用与硅的沉积
• 2.1.3 玉米根、秆、叶的结构
• 2.2 玉米秆中的植硅石
• 2.2.1 实验试剂
• 2.2.2 实验仪器
• 2.2.3 实验步骤
• 2.2.4 实验结果与讨论
• 2.2.4.1 显微镜测试
• 2.2.4.2 SEM测试
• 2.2.4.3 XRD测试
• 2.2.4.4 红外光谱测试
• 2.2.4.5 EDS测试
• 2.3 不同方法对玉米植株中植硅石的影响
• 2.3.1 实验试剂
• 2.3.2 实验仪器
• 2.3.3 实验步骤
• 2.3.4 实验结果与讨论
• 2.3.4.1 显微镜测试
• 2.3.4.2 SEM测试
• 2.3.4.3 XRD测试
• 2.3.4.4 红外光谱测试
• 2.3.4.5 EDS测试
• 2的提取'>2.4 玉米植株中纳米SiO₂的提取
• 2.4.1 实验试剂
• 2.4.2 实验仪器
• 2.4.3 实验步骤
• 2.4.4 实验结果与讨论
• 2.4.4.1 TEM测试
• 2.4.4.2 SEM测试
• 2.4.4.3 红外光谱测试
• 2.4.4.4 XRD测试
• 2.5 本章小结
• 2超微孔材料的制备'>第三章 SiO₂超微孔材料的制备
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 模板剂介绍
• 3.2.2 实验试剂
• 3.2.3 实验仪器
• 3.2.4 实验步骤
• 3.2.5 实验结果与讨论
• 3.2.5.1 模板剂的去除
• 3.2.5.2 FTIR测试
• 3.2.5.3 TEM测试
• 3.2.5.4 HRTEM测试
• 3.2.5.5 XRD测试
• 3.2.5.6 吸附技术
• 3.3 本章小节
• 2的改性及异二聚体的合成'>第四章 纳米SiO₂的改性及异二聚体的合成
• 2的改性'>4.1 纳米SiO₂的改性
• 4.1.1 硅烷偶联剂
• 4.1.1.1 硅烷偶联剂的分子结构和作用机理
• 4.1.1.2 本文用硅烷偶联剂的化学结构
• 4.1.2 实验部分
• 4.1.2.1 实验试剂
• 4.1.2.2 实验仪器
• 4.1.2.3 实验步骤
• 4.1.3 结果与讨论
• 4.1.3.1 XRD测试
• 4.1.3.2 FTIR测试
• 4.1.3.3 TEM测试
• 4.1.4 小结
• 4.2 异二聚体的合成
• 4.2.1 超声技术简介
• 4.2.2 实验试剂
• 4.2.3 实验仪器
• 4.2.4 实验步骤
• 4.2.4.1 分散性实验
• 4.2.4.2 异二聚体的形成
• 4.2.5 实验结果与讨论
• 4.2.5.1 TEM测试
• 4.2.6 小结
• 4.3 本章小结
• 附录1
• 附录2
• 附录3
• 参考文献
• 致谢
• 硕士期间发表的论文
• 学位论文评阅及答辩情况表