Ta2O5和Nb2O5三维有序大孔材料的制备和表征

论文摘要

三维有序大孔（Three-Dimensionally Ordered Macroporous,3DOM）材料由于其独特的结构,在物理、化学等领域内有着十分诱人的广泛应用前景。本论文采用聚苯乙烯（PS）胶体晶体为模板制备了三维有序大孔Ta2O5和Nb2O5材料。首先利用金属羧酸盐聚合物前驱体法制备出Ta-柠檬酸和Nb-柠檬酸前驱体溶胶。研究了柠檬酸所起的配体作用及溶胶中金属离子物质的量的计算方法。利用TG-DTA、XPS、FT-IR和XRD对Ta-柠檬酸和Nb-柠檬酸前驱体溶胶及Ta2O5和Nb2O5粉体进行了表征。采用无皂乳液聚合法制备单分散的聚苯乙烯微球,分析了制备过程中的凝胶现象。采用垂直沉积法分别在玻璃基片和硅基片上自组装聚苯乙烯胶体晶体模板。通过扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope,SEM）对胶体晶体的结构进行表征。同时采用双基片法自组装胶体晶体模板,研究胶体晶体生长的最优条件。分别采用浸渍-提拉法和旋转镀膜法将Ta-柠檬酸和Nb-柠檬酸前驱体溶胶填充于PS模板的空隙中,所得PS/前驱体溶胶复合材料经干燥和600℃高温煅烧2h去除模板后,形成三维有序大孔Ta2O5和Nb2O5。采用SEM对所得3DOM材料的结构进行表征。对模板的填充条件进行研究,结果表明,Ta-柠檬酸溶胶浓度在0.21.0mol·L-1范围内、Nb-柠檬酸溶胶浓度在0.20.7mol·L-1范围内时,均有可能形成3DOM结构,其结构的完整性随溶胶浓度、填充次数等因素的变化而不同。对于浓度较低的溶胶,多次填充可能得到较好的3DOM结构。讨论了模板排列方式、模板生长过程中所产生的缺陷以及异丙醇作为浸润介质的加入量等对形成的3DOM的影响,同时探讨了大规模有序的3DOM结构产生裂纹的主要原因。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 胶体晶体模板的自组装
• 1.2.1 重力场下的自组装
• 1.2.2 离心力场下的自组装
• 1.2.3 电场下的自组装
• 1.2.4 物理限制和动力学流动自组装
• 1.2.5 过滤沉降自组装
• 1.2.6 毛细管微塑模法组装
• 1.3 胶体晶体模板的填充
• 1.3.1 原位化学转化填充法
• 1.3.2 纳米晶填充法
• 1.3.3 电泳填充法
• 1.3.4 电化学沉积法
• 1.3.5 化学气相沉积法
• 1.4 胶体晶体模板的去除
• 1.5 三维有序大孔材料的应用前景
• 1.5.1 光子晶体
• 1.5.2 载体及吸附和催化材料
• 1.5.3 电极材料
• 1.5.4 合成新的三维有序大孔材料及中空微球
• 1.6 课题研究的主要内容
• 第2章 材料与实验方法
• 2.1 实验药品与仪器
• 2.1.1 实验药品
• 2.1.2 实验仪器
• 2.2 前驱体溶胶的配制
• 2.3 表征方法
• 2.3.1 热重-差热分析
• 2.3.2 X射线光电子能谱分析
• 2.3.3 红外光谱分析
• 2.3.4 X射线衍射分析
• 2.3.5 扫描电子显微镜分析
• 第3章 溶胶的表征及胶体晶体模板的制备
• 3.1 前驱体溶胶的表征
• 3.1.1 凝胶的热重-差热分析
• 3.1.2 溶胶煅烧得到粉体的X射线光电子能谱分析
• 3.1.3 溶胶的红外光谱分析
• 3.1.4 溶胶煅烧得到粉体的X射线衍射分析
• 3.2 胶体晶体模板的制备
• 3.2.1 聚苯乙烯微球的制备
• 3.2.2 垂直沉积法制备聚苯乙烯胶体晶体
• 3.2.3 双基片法制备聚苯乙烯胶体晶体
• 3.3 本章小结
• 2O₅和Nb₂O₅的制备'>第4章 三维有序大孔材料Ta₂O₅和Nb₂O₅的制备
• 4.1 三维有序大孔材料的制备工艺
• 4.1.1 模板的填充
• 4.1.2 模板的干燥与去除
• 4.2 胶体晶体模板及对应3DOM结构的形貌
• 4.2.1 模板的排列方式及对应3DOM结构的形貌
• 4.2.2 模板中缺陷及对应3DOM结构的形貌
• 4.3 异丙醇加入量对3DOM结构的影响
• 4.4 溶胶性质对3DOM结构的影响
• 4.4.1 溶胶浓度对3DOM结构的影响
• 4.4.2 填充次数对3DOM结构的影响
• 4.5 3DOM结构中的缺陷
• 4.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢