细菌纤维素杂化纳米材料的制备及性能研究

论文摘要

本文主要研究了细菌纤维素分子作用域大小,在此基础上设计细菌纤维素一维无机纳米杂化纤维。探讨杂化纤维微观结构对其性能影响并开展杂化纤维的应用研究。主要内容如下：1.采用液体簧振动力学谱方法对细菌纤维素凝胶进行挥发过程中实时检测,测量的物理量是衬底和沉积在衬底上面的待测样品组成的复合系统的共振频率（f）与内耗（Q-1）随时间（t）或温度（T）的变化。实验结果表明：细菌纤维素凝胶系统中的水分子在纤维素分子作用下可分为无序水、过渡态水和有序水,并分析出纤维素分子作用域大小。2.通过细菌纤维素分子模板效应,在细菌纤维素纳米纤维表面进行Pt4+原位化学还原反应,制备出燃料电池用Pt/BCF电催化剂。采用SEM、TEM、XRD对Pt/BCF电催化剂的微观结构进行表针。TEM和XRD分析结果表明：3-4 nm Pt纳米晶均匀分散于细菌纤维素纳米纤维表面。循环伏安法测试表明：Pt/BCF催化活性高达34.8 m2/g。由细菌纤维素膜和杂化纤维组装成燃料电池的输出功率达12.1mW/cm2,显示出细菌纤维素膜在燃料电池领域有较大应用潜力。3.通过细菌纤维素分子模板效应,在细菌纤维素纳米纤维表面进行Ag+原位化学还原反应,制备Ag/BCF饮用水高效杀菌剂。采用SEM、TEM、XRD对Ag/BCF杀菌剂的微观结构进行表针。Ag/BCF的TEM照片显示了1.5 nm银纳米晶均匀的附着在细菌纤维素表面。结合XRD和UV-vis等分析结果,探测出纳米银在细菌纤维素表面生长机制。饮用水的微生物去除实验表明：Ag/BCF杂化纤维素可快速实现饮用水的微生物去除。4.通过细菌纤维素分子模板效应,在细菌纤维素纳米纤维表面进行Pd2+和Cu2+原位化学还原反应,制备Pd-Cu/BCF二元化学脱氮催化剂。采用TEM、XRD、XPS和FTIR等测试手段对Pd-Cu/BCF催化剂的微观结构进行表针。Pd-Cu/BCF杂化纤维的化学脱氮实验和循环使用实验结果显示出Pd-Cu/BCF催化剂具有优异的催化活性和使用寿命。5.采用细菌纤维素的分子印迹效应,实现了TiO2纳米晶在细菌纤维素纳米纤维表面的均匀排布。结合微观测试和氮吸脱附实验结果,阐述并初步证实了TiO2纳米晶在纳米纤维表面的生长机制。通过TiO2/BCF和商业化催化剂P25的光催化性能测试,结果表明TiO2/BCF杂化纤维的光催化性能明显优于P25,显示出TiO2/BCF杂化纤维用于光催化降解有机废水的巨大优势。6.利用细菌纤维素分子配位效应,实现CdS纳米晶在细菌纤维素纳米纤维表面的均匀生长。依据CdS/BCF微观分析结果,阐明了CdS纳米晶在纤维表面的生长机制。CdS/BCF杂化纤维的XRD分析结果表明,CdS纳米晶在细菌纤维素分子力诱导下,实现了立方晶型向六方晶型的低温转变。在可见光激发下测试了CdS/BCF、P25和CdS粉末光催化性能,催化反应速率常数分别为0.012min-1、0.0104 min-1和0.00013 min-1。CdS/BCF杂化纤维循环使用测试表明：其循环使用5次后,依然保持较高的催化活性,显示其具有较大的工业应用潜力。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 细菌纤维素的合成
• 1.1.1 合成细菌纤维素的菌种
• 1.1.2 醋酸杆菌的代谢途径
• 1.1.3 细菌纤维素合成
• 1.2 细菌纤维素的结构与性质
• 1.2.1 细菌纤维素的化学结构
• 1.2.2 细菌纤维素的聚集态结构
• 1.2.3 细菌纤维素的性质
• 1.3 细菌纤维素的应用
• 1.3.1 生物医用材料
• 1.3.2 电子材料领域
• 1.3.3 燃料电池
• 1.3.4 负载催化剂
• 1.4 课题研究背景和研究内容
• 1.4.1 研究背景
• 1.4.2 主要内容
• 1.4.3 研究意义
• 2 细菌纤维素/水分子作用域初步探讨
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 原料和实验装置
• 2.2.2 细菌纤维素制备
• 2.2.3 细菌纤维素力学谱仪测试
• 2.3 实验结果和讨论
• 2.4 研究细菌纤维素与水分子作用的意义
• 3 细菌纤维素基—Pt纳米杂化纤维的制备与性能研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 主要原料
• 3.2.2 Pt/BC的制备
• 3.2.3 BC基质子导通膜的制备
• 3.2.4 膜电极三合一组件的制备及单电池测试
• 3.2.5 样品测试
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 Pt/BC结构表征
• 3.3.2 Pt/BC电化学活性测试
• 3.3.3 燃料电池的组装及性能测试
• 3.3.4 细菌纤维素膜热稳定性研究
• 3.3.5 细菌纤维素与壳聚糖用于燃料电池性能对比
• 3.4 结论
• 4 细菌纤维素基—Ag纳米杂化纤维的制备与性能研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 实验材料试剂及仪器
• 4.2.2 实验方法
• 4.2.3 样品测试
• 4.3 结果和分析
• 4.3.1 载银细菌纤维素的性能表征
• 4.3.2 Ag/BCF杂化纤维生长机理
• 4.3.3 Ag/BCF杂化纤维TG分析
• 4.3.4 Ag/BCF杀菌效率评估
• 4.4 结论
• 5 细菌纤维素基—Pd-Cu纳米杂化纤维的制备与性能研究
• 5.1 引言
• 5.2 实验部分
• 5.2.1 主要试剂和仪器
• 5.2.2 Pd-Cu/BC的制备
• 5.2.3 样品测试
• 5.2.4 杂化纤维的催化活性测试
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 Pd-Cu/BCF形貌观察
• 5.3.2 Pd-Cu/BCF杂化纤维XPS分析
• 5.3.3 Pd-Cu/BCF杂化纤维XRD分析
• 5.3.4 Pd-Cu/BCF杂化纤维FTIR分析
• 5.3.5 Pd-Cu/BCF杂化纤维催化性能研究
• 5.3.6 亲水性细菌纤维素负载Pd-Cu/BC脱氮机理的探讨
• 5.4 结论
• 2纳米杂化纤维的制备与性能研究'>6 细菌纤维素基—TiO₂纳米杂化纤维的制备与性能研究
• 6.1 引言
• 6.2 实验部分
• 6.2.1 主要原料
• 2/细菌纤维素杂化纤维制备'>6.2.2 TiO₂/细菌纤维素杂化纤维制备
• 6.2.3 样品测试
• 6.2.4 实验过程
• 6.3 结果与讨论
• 2/BCF结构表征'>6.3.1 TiO₂/BCF结构表征
• 2/BCF杂化纤维生长机理研究'>6.3.2 TiO₂/BCF杂化纤维生长机理研究
• 2/BCF杂化纤维XRD分析'>6.3.3 TiO₂/BCF杂化纤维XRD分析
• 2/BCF杂化纤维TG分析'>6.3.4 TiO₂/BCF杂化纤维TG分析
• 2/BCF杂化纤维UV—Vis和XPS分析'>6.3.5 TiO₂/BCF杂化纤维UV—Vis和XPS分析
• 2/BCF杂化纤维催化性能研究'>6.3.6 TiO₂/BCF杂化纤维催化性能研究
• 6.4 结论
• 7 细菌纤维素基—CdS纳米杂化纤维的制备与性能研究
• 7.1 引言
• 7.2 实验部分
• 7.2.1 主要原料
• 7.2.2 CdS/BCF的制备
• 7.2.3 样品测试
• 7.3 结果与讨论
• 7.3.1 CdS/BCF结构表针
• 7.3.2 CdS/BCF杂化纤维生长机理
• 7.3.3 CdS/BCF杂化纤维TG分析
• 7.3.4 CdS/BCF杂化纤维催化性能研究
• 7.4 结论
• 8 结论
• 8.1 结论
• 8.2 本文的创新点
• 8.3 本课题发展趋势
• 致谢
• 参考文献
• 作者在博士论文工作期间发表和参与的文章