琼脂糖凝胶介质中TiO2和CaCO3仿生矿化过程的研究

论文摘要

仿生矿化是近年来化学、材料和生命科学的研究前沿和热点。近年的研究表明,生物体中的有机大分子往往通过形成凝胶状基质网络对矿化过程施加影响。与水溶液相比,凝胶介质中的仿生矿化过程显示出明显不同的特点,从而受到了广泛的关注。然而,目前凝胶介质中仿生矿化的研究尚存在以下局限性:对氧化物的研究较少;很少涉及到实际应用;对凝胶介质与可溶性有机高分子和/或难溶性有机基质的协同作用研究较少。有鉴于此,本文研究了琼脂糖凝胶介质中TiO2的仿生矿化过程和添加了聚丙烯酸（PAA）的琼脂糖凝胶介质中CaCO3的仿生矿化过程。利用SEM、TEM、XRD、TGA-DSC、BET、FTIR和UV-Vis光谱等手段对矿化样品的结构和组成进行了表征,探索了凝胶介质中的仿生矿化机理,并对合成的TiO2的光催化性能进行了考察。第一,考察含有精蛋白的凝胶介质中氧化钛矿化过程。用含有精蛋白的琼脂糖凝胶诱导钛前驱体（Ti-BALDH）水解矿化,用热水洗涤除去凝胶后,可得粒径均一、中空球壳结构的锐钛矿相TiO2微晶,该TiO2晶体具有两种明显的孔结构和较大的比表面积,晶体中含有精蛋白和琼脂糖。据推测可能的矿化机理为:精蛋白分子首先与琼脂糖分子相互作用形成球形高分子团束,Ti-BALDH水解生成的TiO2颗粒在团束表面聚集形成核壳结构。当除去凝胶介质和精蛋白后,样品形成带有介孔的中空球壳结构。光催化性能表征显示合成的TiO2对甲基橙溶液具有良好的光催化性能,7h内即可使50mg/L的甲基橙溶液完全降解。第二,考察添加PAA的凝胶介质中CaCO3的矿化过程。将添加有PAA和CaCl2的琼脂糖凝胶在CO2气体扩散环境中矿化,得到带有中孔的球形CaCO3颗粒,颗粒以方解石和球霰石的混晶形式存在。当前驱体添加顺序以及初浓度不同时矿化得到不同形貌的CaCO3晶体。当PAA与Ca2+浓度比增加时得到球形颗粒,减少时得到斜方六面体晶体。据推测,PAA的作用是通过长链上的-COOH官能团结合Ca2+形成球形晶核,并且维持CaCO3的球形结构。而且,PAA能够和琼脂糖分子的相互作用形成球形模板,同时这种作用造成凝胶纤维局部粘度增加促进了CaCO3在凝胶纤维附近成核和生长。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 文献综述
• 1.1 仿生矿化
• 1.2 凝胶介质中仿生矿化
• 1.2.1 凝胶介质
• 1.2.2 天然高分子凝胶
• 1.2.3 合成高分子凝胶
• 1.2.4 超分子水凝胶
• 1.2.5 无机凝胶
• 1.3 有机基质对凝胶介质中仿生矿化的影响
• 1.3.1 水溶性添加剂
• 1.3.2 自组装单层（SAMs）
• 1.4 凝胶介质中仿生矿化的机理
• 1.5 研究工作的提出
• 第二章 实验部分
• 2.1 实验试剂及仪器
• 2的仿生矿化实验方案'>2.2 琼脂糖凝胶介质中Ti0₂的仿生矿化实验方案
• 3 的仿生矿化实验方案'>2.3 添加PAA 的琼脂糖凝胶介质中CaC0₃的仿生矿化实验方案
• 2.4 分析表征方法
• 2.4.1 扫描电子显微镜（SEM）
• 2.4.2 透射电子显微镜（TEM）
• 2.4.3 场发射透射电子显微镜（HRTEM）
• 2.4.4 比表面积（BET）和孔径分布测定
• 2.4.5 热重分析（TGA-DSC）
• 2.4.6 X 射线衍射（XRD）
• 2.4.7 红外光谱（FTIR）
• 2.4.8 光催化性能评价实验
• 2的仿生矿化'>第三章 琼脂糖凝胶介质中Ti0₂的仿生矿化
• 3.1 引言
• 2的表征'>3.2 Ti0₂的表征
• 3.2.1 XRD 分析
• 3.2.2 SEM 表征
• 3.2.3 TEM 分析
• 3.2.4 TGA 分析
• 3.2.5 BET 分析
• 3.2.6 FTIR 分析
• 2矿化机理'>3.3 琼脂糖凝胶介质中Ti0₂矿化机理
• 3.4 光催化性能
• 3.5 小结
• 3的仿生矿化'>第四章 添加PAA 的琼脂糖凝胶介质中CaC0₃的仿生矿化
• 4.1 引言
• 3颗粒的表征'>4.2 CaC0₃颗粒的表征
• 4.2.1 XRD 分析
• 4.2.2 BET 分析
• 4.2.3 SEM 表征
• 3 仿生矿化的过程研究'>4.3 添加PAA 的琼脂糖凝胶介质中CaC0₃仿生矿化的过程研究
• 4.3.1 对比实验
• 4.3.2 FTIR 分析
• 4.3.3 碳酸钙在含有PAA 的琼脂糖凝胶中的仿生矿化机理
• 4.4 小结
• 第五章 结论和展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢