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纳米核壳结构材料作为一种新型的纳米复合材料,在纳米科学领域逐渐成为一个重要的研究热点和发展趋势,核壳结构之所以备受全球科研工作者的青睐,是由于核壳结构相对于单一组分的纳米材料,它的物化性质有着十分显著的改善,这对于提高该材料在其他领域的应用价值有着重要的意义。
本论文采用溶胶.凝胶法、软模板法和反相微乳液法制备具有光催化活性的TiO2作为壳层的核壳结构纳米材料和SiO2作为壳层的核壳结构纳米材料,而最主要的研究内容是用溶胶-凝胶法并结合刻蚀.生长法制备出表面刺状的TiO2纳米粒子和表面刺状的TiO2核壳结构的纳米粒子,探索其刻蚀.生长机理以及不同刻蚀程度对光催化活性的影响;并同时研究溶胶.凝胶法、软模板法和反相微乳液法制备核壳结构的纳米粒子的优缺点。
采用溶胶-凝胶法并结合刻蚀-生长法制备的表面刺状的TiO2纳米结构经扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)表征,表征结果表明纳米的刺球结构明显,其内部疏松多孔:动态光散射(DLS)数据表明了所制备的刺球形TiO2纳米粒子的粒径分布较为均一,粒径为420 nm左右且具有较好的单分散性。与此同时,将所获得的不同的TiO2纳米结构应用于光催化性质的表征,其结果表明焙烧后的TiO2纳米刺球具有锐钛矿型结构,并有着良好的光催化性能。其刻蚀-生长机理初步推断为先刻蚀再生长的Ostwald ripening(奥斯瓦熟化)机理,即介孔晶体在热力学控制下,经过长时间的缓慢刻蚀再生长过程从而达到热力学较稳定的结构。该方法相比较现有成熟的水热法制备TiO2纳米刺球的方法而言,所需要的设备和步骤都相对简单,反应条件温和可控,较易实现刺球型纳米粒子的大量合成并且适用于复杂的TiO2纳米结构的改性,也可作为制备TiO2核壳结构和改性掺杂结构的表面形貌的基本方法。将合成的TiO2纳米刺球做光催化性能表征,相对于没有刻蚀-生长的TiO2纳米球的光催化性能有了大大提高,扩展了该结构在光催化领域的应用。
采用囊泡作为软模板的方法制备Au@SiO2核壳分离的纳米粒子。通过设计实验优化了实验条件,探索各种组分在制备过程中的作用和最佳用量。如:3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)的加入与否决定了正硅酸四乙酯(TEOS)是否能在囊泡表面发生水解成壳;双十二烷基二甲基溴化铵(DDAB)的用量决定了囊泡形成的效率和尺寸;TEOS的用量和反应的温度决定了合成产物的形貌。
采用正己烷/DDAB/水三相形成的稳定微乳液滴作为模板,控制油溶性的TEOS在微乳液两相的界面上水解,从而制备出了SiO2包裹水或水溶液的纳米溶胶的核壳结构。该方法的优点有:制备的核壳结构粒径分布好,水解反应的过程是自限制和自终止的过程,因此可以通过调控反应的时间,可选择性的得到表面多孔性各异的SiO2壳层。