基于层状双氢氧化物的功能性杂化材料的制备与表征

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层状双氢氧化物(layered double hydroxides, LDHs)是一种阴离子型层状纳米材料,具有形貌可控、结构可调等独特的性质。作为一种功能性纳米粒子,LDHs在催化、吸附、聚合物添加剂、生物医药等诸多领域有着广泛的应用前景。近年来,杂化材料这一理念被不断地发展和应用。利用杂化技术制备两种以上纳米粒子的杂化结构,不仅可以在更大程度上利用不同纳米材料各自的优异物理及化学性能,而且还可以通过纳米粒子之间的协同效应赋予其新的特性。因此,制备新型的基于LDHs的杂化材料将充分发挥LDHs和其他纳米粒子各自的优点,进一步拓宽LDHs的应用领域。本论文分别通过电沉积法和水热-原位合成法制备了两种新型的基于LDHs的杂化结构,并初步探索了杂化材料在电化学传感器、染料吸附等方面的性能。主要研究工作包括如下内容:第一部分,成功制备了可以在水中稳定分散的MgAl-LDHs,将其滴覆在玻碳电极表面成膜。通过电沉积法将Ag+沉积在LDHs修饰的玻碳电极上,得到树枝状Ag纳米粒子杂化结构/LDH修饰的玻碳电极。通过电化学测试和形貌表征考察了树枝状Ag纳米结构的形成机理,发现LDH载体的引入可以减缓Ag+的还原速率,从而在电沉积过程中得到尺寸更小、分布更密集的树枝状Ag纳米结构。通过优化滴覆LDHs的浓度和电沉积时间等实验条件,可以得到性能优异的H2O2电化学传感器,其线性检测范围为10μM~19.33mM,检测限为2.2μM,响应时间小于3s。该传感器还具有良好的抗干扰性能和可重复性。第二部分,首先通过水热法在氧化石墨烯纳米片层表面原位生长NiAl-LDHs,得到GO/LDH杂化材料。形貌表征发现,GO/LDH杂化材料中LDHs均匀地生长在GO片层表面,成功地避免了团聚现象的发生。将GO/LDH杂化材料在氮气中煅烧还原,得到了具有磁响应性的石墨烯(rGO)/Ni/混合氧化物(MMO)杂化材料。进一步对rGO/Ni/MMO杂化材料对染料的吸附能力进行了测试,发现该杂化材料对甲基橙(MO)具有优异的吸附能力,其饱和吸附量为210.8mg g-1。吸附等温式分析表明rGO/Ni/MMO杂化材料对MO的吸附过程符合Redlich-Peterson等温式模型,动力学分析表明该吸附过程符合准二级吸附动力学模型。此外,rGO/Ni/MMO杂化材料还具有良好的循环吸附能力,因此在环境保护(如污水处理)等领域具有潜在的应用价值。本论文分别成功制备了以LDHs为基底负载其他纳米粒子和以其他纳米粒子为基底负载LDHs纳米片层两种杂化结构,探索了杂化材料结构与性能之间的关系规律。本论文的研究结果为基于LDHs的功能性杂化材料的设计提供了一定的实验和理论依据,并将对其他性能优异的功能性纳米复合材料的设计与研发提供有益借鉴。
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