中空水滑石纳米结构的制备与性能研究

【摘要】水滑石(LDHs)是一类常见的层状复合金属氢氧化物,其具有主体层板组成可调、层间客体种类可调、主客体及客体间有序排列、记忆效应等特点。作为一类重要的阴离子型层状功能材料,水滑石在催化、医药、光学、电化学等领域展现出广阔的应用前景。目前已有的水滑石材料多为片状及其衍生结构,如弯曲六方片,单片层六方片,由片状结构堆积组装的三维花状以及与其他材料组合的三维组装体等结构,而中空结构水滑石材料却鲜有报道。由于中空纳米材料具有比表面积大、密度小、渗透性好、较低的热膨胀系数和折射指数、暴露更多的反应活性位点等优点,因此合成中空结构的水滑石纳米材料,不单有助于拓展水滑石家族的成员,更将有利于进一步探索其性能的提高,为水滑石材料的应用提供更广阔的空间。本论文主要研究了多种形貌的中空结构水滑石及焙烧水滑石(LDO)的合成方法及其形貌对材料催化、灭菌性能的影响,具有十分重要的意义。主要的研究工作及结果如下：1.由于水滑石具有沿垂直于c轴方向优先生长的特性,所以传统的水滑石多为片状结构。本文利用柯肯达尔效应,以一维金属氢氧化物为前驱体,通过混合溶剂热法,首次制备出具有环状结构的水滑石材料。通过XRD、FT-IR、SEM、TEM、BET、in-suitEDXRD等测试手段对材料进行了表征,探讨了反应温度、反应时间、前驱体的形貌、溶剂的种类和组成、元素的种类等实验条件对形成环状水滑石纳米结构的影响,确定了环状水滑石材料的最佳制备条件。当有机溶剂(正十二硫醇、正己醇、正十二醇)与水的体积比为4：1时,以Mg10(OH)18Cl2·5H2O纳米线为镁源,可以制备出纯相Mg/Al-CO3水滑石纳米环,其外径尺寸在700-800nm之间,内径在250nm左右。进一步对其形成机理进行研究,确定了金属离子释放和扩散速率在制备环状结构水滑石材料中起到重要作用。通过改变实验条件,制备出其它形貌的水滑石材料(如纳米片、三维纳米花状结构),并以丙二酸二乙酯和苯甲醛的Knoevenagel反应为探针,考察不同水滑石纳／微结构对材料催化性能的影响。实验结果表明,与片状和花状水滑石纳米材料相比,具有中空环状纳／微结构的水滑石纳米材料具有较高的催化活性,这主要归因于其特殊的环状结构可以使材料具有较高的比表面积和合适的孔道结构、暴露更多的催化活性位点。2.氧化物空心球材料在气敏、磁性、巨磁电阻、电导性和催化等领域有着广阔的应用前景,但是制备金属元素比例可控的多元复合金属氧化物空心球一直是个难题。本文利用水滑石材料焙烧产物为结构均一,金属元素种类和比例可控的多元复合金属氧化物的特性,通过预制特定组成的水滑石前驱体,并以碳球为模板,实现了对多元复合金属氧化物空心球的可控制备。通过TEM、SEM、ICP和EDS等手段表征显示焙烧水滑石空心球尺寸均一,产物无碳球模板残留,且与前驱体具有良好的组成继承性。通过调节模板碳球的大小,我们分别制备出了250nm,500nm,1000nm,不同尺寸的焙烧水滑石(LDO)纳米空心球。利用水滑石材料的主体层板金属种类可调性、金属比例可控性,我们制备了多种焙烧水滑石纳米空心球,包括Mg2Al-LDO,Mg3Al-LDO,Mg4Al-LDO,Ni2Al-LDO,Mg3Fe-LDO,ZnNiAl-LDO等。从而实现了制备大小均一、尺寸可控、金属成分可调、金属比例可控的多元复合金属氧化物空心球的目标,为其应用提供了更丰富的材料基础。同时,将空心球状和片状Mg3Al-LDO对比,考察了不同的形貌结构对材料的灭菌性能影响。实验结果表明,与纳米片状结构相比,中空结构的Mg3Al-LDO空心球具有较高的比表面积,对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌有更好的灭菌效果。
【作者】杨淼森；
【导师】孙晓明；
【作者基本信息】北京化工大学，化学工程与技术，2012，博士
【关键词】水滑石；中空结构；纳米环；氧化物空心球；性能；

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