多功能纳米材料：设计、合成与应用
文献类型：学位论文
| 作者 | IRAM MAHMOOD |
| 学位类别 | 博士 |
| 答辩日期 | 2010-06-07 |
| 授予单位 | 中国科学院研究生院 |
| 导师 | 刘会洲 ; 郭晨 |
| 关键词 | 磁性纳米材料 硅纳米线 硅量子点 聚苯胺纳米纤维 |
| 其他题名 | Multifunctional Nanomaterials: Design, Synthesis and Applications |
| 学位专业 | 生物化工 |
| 中文摘要 | 纳米科学和工程研究为发展新型功能纳米材料及其复合材料提供了前所未有的机遇。然而，制备纳米材料以及纳米尺度上的功能化修饰仍然极具挑战，特别是制备均一尺寸的纳米材料及其复合材料。多功能纳米材料也是目前研究的一个热点，它们在化学催化、色谱分离、光电、以及生物感应和生物标签方面都有潜在的应用；但这方面还缺乏深入细致的研究。本论文系统地从三种重要的材料研究开展了三方面的工作：（1）用多种形态学方法设计制备了磁性纳米结构材料，并研究了这些材料在生物催化和环境治理中的应用。（2）合成功能化硅纳米线以及磁性量子硅，并研究了它们作为SERS 物质和可回收的光催化剂在太阳能电池中的应用。（3）合成并研究了聚苯胺纳米纤维的电化学特征，以及它们作为电化学电容器的应用。主要取得了以下几个方面的研究结果。通过共沉淀的方法合成了磁性Fe3O4纳米颗粒，并利用油酸与L-64 嵌段共聚物作包覆材料以增强纳米颗粒在油水界面的稳定性和分散性。磁性纳米颗粒通过TEM 表征，平均粒径为10 nm ；通过FTIR 和 NMR表征，磁性颗粒表面油酸与L-64 嵌段共聚物之间的相互作用是疏水相互作用。该磁性颗粒可以通过疏水相互作用吸附固定化脂肪酶，并应用于橄榄油的水解反应，发现重复使用七次后，其活性仍能保持90%以上。为了使该磁性颗粒能在有机溶剂中具有良好的分散性和稳定性，我们制备了阿拉伯胶聚合物包覆的磁性颗粒，并固定脂肪酶用于生产异戊酸乙酯的酯化反应。通过对表面活性剂种类、温度、pH 值以及有机溶剂的选择考察，结果表明非离子型表面活性剂在48h内能获得80%的酯化产率，要优于阳离子型和阴离子型表面活性剂，这可能是由于磁性颗粒表面非离子型表面活性剂使脂肪酶具有良好的界面活性。该固定化脂肪酶使用七次后仍能保持其酶活。合成了一种中空型的Fe3O4 微球，粒径为200-300 nm，并应于吸附脱除废水中的染料。考察了染料的初始浓度，pH 值和吸附时间对磁性载体吸附容量的影响。Langmuir 吸附等温线表明RL 在0-1之间范围, 有利于染料的吸附；中空型的Fe3O4 微球的吸附量随着染料初始浓度的增大而增加，吸附率最大可达到90%。 在25◦C 和 pH 6条件下，对 Neutral Red吸附可达到 105mg g-1。该吸附为二级反应和自发的吸热过程。合成了负载金、尺寸在4 ~30 nm的硅纳米线，以及致密的、尺寸均一、小于10 nm的硅纳米线。 大多数硅纳米线的晶面生长是 [011]， 底物中硅的方位不影响硅纳米线的晶面生长和形态学。通过改变合成条件可以得到不同直径、长度和尺寸的硅纳米线。为了利用表面增强拉曼散射能够检测可以作为分子探针的亚甲基蓝，开发了功能化的硅纳米线，它有较宽的发射波段500–900 nm。这种功能化的硅纳米线通过元素分析、EDS、XPS表明，合成温度增高有利于增加硅纳米线表面氮的含量，氮主要是以吡啶和芳香胺存在，其中少量以季铵盐的形式存在。该功能化硅纳米线通过其表面的含氮基团与亚甲基蓝相互作用来吸附亚甲基蓝分子。量子硅与磁性Fe3O4可以分别作为光催化剂应用于化学催化反应。本文合成了量子硅与磁性Fe3O4复合纳米材料，通过TEM, AFM, XRD, FTIR, VSM 和荧光光谱进行了表征。该复合材料有荧光效应、强的超顺磁性，高的光催化性能，能在20 min内使水溶液中一定量的三聚氰胺降解，循环使用15次后，仍能降解85%三聚氰胺。通过化学聚合与快速混合搅拌两种方法制备了聚苯胺纳米纤维。化学聚合法首先通过温度诱导和PEG辅助的方法合成了介孔硅微球，然后利用介孔硅微球作为合成聚苯胺纳米纤维载体。聚苯胺纳米纤维可以被嫁接到介孔硅微球的表面，通过TGA分析，微球表面嫁接的聚苯胺纳米纤维可以达到90–95%。循环伏安法和EIS表明聚苯胺纳米纤维有较好的电化学特性。等效电路分析表明聚苯胺纳米纤维电路元件分别为Rct= 3.9, Cct=1.11×10−8, Re 2.45×10−1, Ce=1.45×10−3，电极的时间常数为0.0217ms。该聚苯胺纳米纤维可以作为电化学超级电容器系统的电极。利用m-CPBA 作为氧化剂和残杂物通过快速搅拌混合氧化聚合法合成了聚苯胺纳米纤维。对于含有0.014 mg cm-2聚苯胺纳米纤维，在电流分别为3.0, 5.0 和7.0mAcm-2条件下，相应的电容量为 2.10×103, 1.82×103 ，1.34×103 Fg-1，电极的时间常数为0.0005–0.04 s。研究表明，甲苯为溶剂时，聚苯胺纳米纤维有较高的电容量和高的库伦效率，这可能是由于在氧化还原过程中甲苯溶液具有较强的稳定性和H+ 的快速扩散。 |
| 英文摘要 | Advances in nanoscale science and engineering are providing unprecedented opportunities to develop novel functional nanomaterials and their composites. However, fabricating nanostructures and tailoring their properties on the nanometer scales are challenging. In particular, the creation of nanostructures with good alignment and uniform size, to enable and enhance desirable collective behaviors, is even more difficult. Such difficulties have compelled us to seek competitive approaches such as utilization of various fabrication methods to design uniform structures on the nanometer scale and their composites for their potential applications in various fields. |
| 语种 | 英语 |
| 公开日期 | 2013-09-17 |
| 页码 | 185 |
| 源URL | [http://ir.ipe.ac.cn/handle/122111/1496]  |
| 专题 | 过程工程研究所_研究所（批量导入） |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | IRAM MAHMOOD. 多功能纳米材料：设计、合成与应用[D]. 中国科学院研究生院. 2010. |
入库方式： OAI收割
来源：过程工程研究所
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