生物矿化是生物无机化学领域的重要分支,主要致力于研究生物质材料的本征性质,以及这些多级结构无机-有机复合物的形成过程和机制。自然界中,这些多级结构物质常具有优化的无机-有机界面、复杂的结构多级性以及特殊的理化性质等,表现出非常优异的机械、光学以及磁学等性能。生物矿化往往是在温和条件下进行并且涉及大量的有机、无机分子相互作用,其一般过程可以表述为:生物分子通过自组装形成预构筑体,然后通过界面识别作用诱导无机质在其表面成核和生长。随着该领域的不断发展,受生物矿化启发以功能为导向设计构筑多级结构材料成为研究热点之一。师法自然,本论文工作围绕利用框架模板策略设计构筑多级结构半导体材料。细菌纤维素(BC)气凝胶由纤维素纳米纤维通过氢键自组装形成的多级孔结构,表面具有丰富的羟基,可诱导无机质在其表面成核和生长。我们选择BC气凝胶为框架模板,将无定形无机氧化物(如Ti O2,Si O2)限域性沉积在纤维素表面形成BC@无机质前驱体框架。然后通过调控后处理过程得到目标多级结构半导体材料。通过该方法,我们成功获得了具有多级结构管套管Ti O2块体光催化剂材料、多级连通孔Ti O2/C锂离子电池负极材料以及多级连通管Ti O2/C锂离子电池负极材料。所得到的多级结构材料具有优异的多级孔特性、高比表面积以及结构增强的催化或电学性质,在能源和环境等领域具有良好的应用前景。本论文研究内容包括以下几个方面:一、利用框架模板限域性矿化以及双向外延生长法,获得以Ti O2管套管为次级结构基元的Ti O2多级结构块体材料(TITS Ti O2)。以细菌纤维素(BC)为生物框架模板,在其表面限域性沉积无定形Si O2层和Ti O2层,得到三明治结构的BC@Si O2@Ti O2前驱体框架。然后,碱刻蚀水热过程处理该前驱体框架并煅烧去除BC,得到TITS Ti O2。该方法制备的TITS Ti O2具有从宏观到微观的多尺度结构特性,包含毫米尺度的块体特性,微米尺度的大孔特性以及纳米尺度的纳米管/纳米孔特性。将其用作光催化剂降解有机染料时,表现出优于P25的结构增强光催化能力。二、利用框架模板限域性矿化及碳化方法,获得Ti O2/C多级结构块体材料。在本部分工作中,BC既作为框架模板又作为碳源。首先,钛源(钛酸四乙酯)在BC纤维表面发生限域性水解-缩聚反应,得到无定形BC@Ti O2块体。然后将其在氮气气氛下控温碳化,得到晶态Ti O2/C块体材料。本方法所获得的Ti O2/C块体材料保持了框架模板的多级结构以及连通的多级孔性,具有高比表面积以及可控晶型。当用作锂离子电池负极材料时,Ti O2/C-500(500℃碳化)复合材料表现出很好的结构增强功能。在倍率为0.5C时,其初始容量可达283 m A h g-1,稳定容量可达188 m A h g-1。同时,在充放电200圈后,其依旧可保持94%的循环稳定性。三、利用框架模板限域性矿化、“纤维素解组装-原位碳包覆”的方法,分别获得了以Ti O2/C中空管和管套管为次级结构基元的多级结构复合材料,并通过水热包覆碳层、或含氮碳层,得到具有包覆层厚度可调的Ti O2/C复合材料。本部分以提高锂电池负极性能为出发点,探究Ti O2/C多级结构材料的结构优势。该方法得到的Ti O2/C多级结构复合材料具有多重结构优势,可用作高性能锂电池负极材料。(1)纳米片状Ti O2可以提供高比表面积并缩短锂离子扩散途径;(2)内部管状或管套管状空穴,可作为电解液快速传输通道,可用作电解液缓冲池,缩短电解液扩散路径;(3)均匀分布的石墨化碳或包覆层既可以增强材料导电能力,同时可以稳定充放电过程中Ti O2结构;(4)亚微米级互相连通的整体结构可以增加材料的堆积密度,防止纳米粒子聚集;(5)一维结构可提供快速的电荷传输。因此,将其用于锂电池负极材料时,具有很高的初始容量(455 m A h g-1,倍率为5C)和稳定容量(351 m A h g-1,倍率为5C),并具有很好的循环稳定性能。