纳米氧化物及其复合材料的制备与应用研究

论文摘要

纳米氧化物及其复合材料在传统材料增强和功能化、药物缓释和靶向、分离和纯化、生物传感等领域有着重要的应用前景。纳米氧化物通过与其它功能材料的杂化或复合,既保持了原有材料的性能,又产生了新奇效应。许多材料的奇特性能,就是通过复合或杂化的方式而得到的。发展构建这些纳米结构单元材料的新方法；探究这些单元进行周期性有序组装以扩展尺度的原理,直至得到全新材料或器件；发展对于这些材料微相结构的控制手段,具有重要的理论价值和现实意义。在本论文工作中,我们对SiO2和ZnO及其复合材料的合成方法、介观结构、相应性质和传感应用进行了讨论。结合纳米材料的基本理论,以构效关系为主线,对于这些氧化物及其纳米复合物材料的结构和性能进行了研究。本论文研究工作主要包括以下几方面的内容：第二章,通过动态调节混合溶剂体系的组成,实现表面配体的交换和调制,以氧化硅水溶胶和聚二甲基硅氧烷（PDMS）在酸性条件下直接反应,形成杂化界面,制备了核壳结构的单分散氧化硅/PDMS纳米复合材料。对于其反应机理进行了讨论,开展了其作为增强材料在光固化涂层中的应用研究。结果表明,合成的单分散核壳材料易于分散于不同的有机体系,较小的添加量可以明显改善涂层的性能。第三章,在丙三醇体系,通过氢氧化钾和氯化锌反应,合成了两种花状氧化锌纳米晶。运用SEM、XRD、红外和紫外光谱等分析技术对其进行了表征。并对于其在电化学传感器中的应用进行了研究。结果表明,合成的氧化锌有较好的分散性,构建的电化学传感器对于过氧化氢有良好的响应。第四章,以单分散纳米氧化锌球为原料,运用原位模板,通过简单的超声辅助液相转化法选择性地合成了核壳结构ZnO球/CdS棒和ZnO球/CdS粒子的纳米复合材料。其形成机理与超声辐射密切相关。对合成的核壳结构纳米材料的光致发光和电致化学发光性质进行了研究。第五章,使用六次甲基四胺和柠檬酸三钠作为形貌控制剂,运用微波水热法,合成了有较好分散性的中空六角状圈形结构的Au/ZnO纳米复合物,该结构是由层状氧化锌和随机分散于表面的Au纳米粒子紧密组装而成的。通过XRD、SEM、TEM、紫外-可见、PL光谱等分析技术对该结构进行了表征,并对其光学性质进行了研究。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 本论文主要创新点
• 第一章 绪论
• 1.1 纳米材料层级结构综述
• 1.1.1 纳米材料的结构单元
• 1.1.1.1 团簇
• 1.1.1.2 纳米单元
• 1.1.2 纳米单元组装体
• 1.1.2.1 核壳结构
• 1.1.2.2 球形单元枝化结构
• 1.1.2.3 形状各向异性纳米单元的组装结构
• 1.1.2.4 图案组装结构
• 1.1.2.5 组装二维、三维阵列或超晶格结构
• 1.2 纳米氧化物的合成方法综述
• 1.2.1 溶胶凝胶法（sol-gel）
• 1.2.2 水热法或溶剂热法
• 1.2.3 微乳液法
• 1.2.4 化学沉淀法
• 1.2.5 对氧化物纳米材料合成方法的一些认识和体会
• 1.3 氧化物纳米杂化材料制备方法综述
• 1.3.1 溶胶凝胶法（sol-gel）
• 1.3.2 后期修饰法（post modification）
• 1.3.3 插层和剥离法
• 1.3.4 原位合成法（in-situ）
• 1.3.5 砌块组装法（NBB assembly）
• 1.3.6 对氧化物纳米杂化材料合成的一些认识和体会
• 1.4 核壳结构材料的特性和合成综述
• 1.4.1 纳米材料引入壳后产生的效应
• 1.4.1.1 分散性
• 1.4.1.2 相转移
• 1.4.1.3 毒性
• 1.4.1.4 磁性
• 1.4.1.5 光学性质
• 1.4.1.6 表面活性
• 1.4.1.7 改变能级结构
• 1.4.1.8 提高智能性
• 1.4.2 核壳材料的合成方法
• 1.4.2.1 接枝聚合法
• 1.4.2.2 乳液聚合法
• 1.4.2.3 表面配体加合法
• 1.4.2.4 种子生长法
• 1.4.2.5 直接异相沉积法
• 1.4.2.6 自控成核生长法
• 1.4.2.7 热引发相分离法和固相原子扩散法
• 1.5 本论文选题思路及主要工作
• 参考文献
• 第二章 氧化硅-聚二甲基硅氧烷核壳结构杂化材料的合成及应用研究
• 2.1 前言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 试剂和仪器
• 2.2.2 氧化硅丙三醇溶胶的制备
• 2.2.3 氧化硅-PDMS纳米杂化材料的合成
• 2.2.4 杂化材料在光固化涂料中的应用
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 纳米杂化材料的表征
• 2.3.2 纳米杂化材料的可能形成机理
• 2.3.3 氧化硅纳米杂化材料在光固化涂料中的应用
• 2.4 结论
• 参考文献
• 第三章 花状氧化锌纳米晶的合成、表征及其在电化学生物传感器中的应用
• 3.1 前言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 试剂和仪器
• 3.2.2 氧化锌纳米晶溶胶的合成
• 3.2.3 花状氧化锌纳米晶的电化学传感
• 3.2.3.1 ZnO/Hb修饰电极的制备
• 3.2.3.2 ZnO/Hb/GCE修饰电极的循环伏安实验
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 氧化锌纳米晶的XRD分析
• 3.3.2 氧化锌纳米晶溶胶的紫外光谱分析
• 3.3.3 氧化锌纳米晶的形貌分析
• 3.3.4 机理探讨
• 3.3.5 氧化锌纳米晶的电化学传感研究
• 3.3.5.1 ZnO/Hb/GCE修饰电极的直接电化学
• 3.3.5.2 ZnO/Hb/GCE修饰电极对过氧化氢的催化
• 3.4 结论
• 参考文献
• 第四章 ZnO/CdS纳米核壳结构超声化学合成及其光学性能的研究
• 4.1 前言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 试剂和仪器
• 4.2.2 不同核壳结构的制备
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 核壳结构纳米材料的表征
• 4.3.2 超声化学形成机理
• 4.3.3 PL研究
• 4.3.4 电致化学发光研究
• 4.4 结论
• 参考文献
• 第五章: 微波水热法合成ZnO/Au复合纳米材料
• 5.1 前言
• 5.2 实验部分
• 5.2.1 试剂和仪器
• 5.2.2 ZnO/Au纳米粒子的合成
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 ZnO/Au纳米粒子的表征
• 5.3.2 ZnO/Au纳米粒子的光学性质
• 5.3.3 ZnO/Au纳米粒子的形成机理
• 5.4 结论
• 参考文献
• 附录 作者攻读博士学位期间已发表和待发表的期刊论文
• 致谢