纳米纤维宏观组装体的制备及功能化研究

论文摘要

随着近二十年来纳米技术的高速发展,很多不同组分和尺寸的高质量一维纳米材料都已经通过不同的物理化学方法被成功地合成出来,其中,模板指引法已成为合成一维纳米材料最常用方法之一。相比其它方法,模板指引法具有许多明显优势,比如,合成过程简单、低成本、高产量、组分可调等等。另一方面,尽管纳米材料的性质比他们对应的块材要好,但要将具有独特性能的单个纳米颗粒组装成为功能性的宏观材料（比如二维薄膜材料和三维的整体块状材料）仍是一大挑战。本论文将集中阐述一维纳米材料的模板法合成、组装及其性能研究。通过一系列高质量一维纳米材料的合成,充分体现了模板指引合成法的独特优势和广泛适用性;成功将合成得到的一维纳米材料组装成为功能性的宏观二维薄膜和三维气凝胶材料;并研究了这些宏观材料在过滤分离、污水处理、抗菌过滤、电化学催化、连续流催化、磁性驱动等方面的性能。所取得的主要研究成果总结如下:1.发展了高活性超细纳米线模板法合成一系列贵金属和碲化物纳米线/纳米管的制备技术。研究发现,成功合成Pt纳米管的关键因素是使用具有高活性的超细Te纳米线作为模板,并使用乙二醇做溶剂来控制反应的速率。贵金属前驱物的价态对于选择性合成Pt纳米管、Pt纳米线或Pd纳米线至关重要。此外,同样使用超细Te纳米线为模板,通过一个低温水热过程成功合成了直径为12nm的均匀CdTe纳米线。该模板过程同样适用于合成其它具有高长径比和均匀尺寸的碲化物一维纳米结构,例如Ag2Te、PbTe等等。2.发展了自支持纳米纤维薄膜的制备技术,该薄膜材料展现出了优异的过滤分离和污水处理的性能。使用超细Te纳米线为模板,并用葡萄糖作为碳源,通过一个模板指引的水热碳化过程制得了高度均匀的直径可控的碳纳米纤维。再经过一个简单的溶液蒸发过程,可将这些具有高长径比的碳纳米纤维组装成自支持的薄膜材料。该碳纳米纤维薄膜质地柔软,结构稳定,完全能够进行过滤操作。更为重要的是,该碳纳米纤维薄膜孔径分布范围很窄,具有优异的尺寸选择性过滤功能,并且它们的截留尺寸能够通过调节碳纳米纤维的直径进行精确控制。使用该薄膜能够实现不同尺寸纳米颗粒的选择性分离。此外,通过结合碳纳米纤维强吸附性能以及薄膜材料的过滤功能,利用一个简单的过滤过程就能够实现污水的快速纯化。过滤实验表明:碳纳米纤维薄膜能够在流速高达1580 L/m2h的情况下有效过滤除去亚甲基蓝有机染料污染物,该速度是具有类似截留性质的纳滤膜或微滤膜的10-100倍。基于碳纳米纤维的吸附性能和易成膜特性,通过一个高温催化石墨化过程制得了具有介孔特性和高度石墨化程度的多孔石墨碳纳米纤维薄膜,该薄膜材料有望成为超级电容器的电极材料。3.在上述有关纳米纤维薄膜的工作基础上,系统展示了碳纳米纤维可以作为一种通用的纳米支架,用来构建宏观的多功能薄膜材料。通过不同的化学过程合成了一系列碳基复合纳米纤维,包括CNFs-Fe3O4、CNFs-TiO2、CNFs-Ag和CNFs-Au等,它们都继承了碳纤维支架原有的维度（高长径比）和机械（柔软性）性能,从而能够通过一种简单的组装过程得到宏观自支持复合纳米纤维薄膜材料。这些功能性的纳米纤维膜在磁驱动、抗生物膜过滤和连续流催化等领域展现了广泛的应用潜能。4.设计了一个灵巧的多步模板过程,用来制备自支持的Pt纳米线薄膜,并展示了该Pt纳米线薄膜是一种性能优异的燃料电池催化剂材料。这种薄膜催化剂体系由较长的结晶性Pt纳米线组成,而这种纳米线结构能够优先暴露高活性的特定晶面,并且表面缺陷位点较少,因此具有较高的催化活性。此外,这种独特的纳米线网状结构有利于薄膜电极上电子的传递和气体的扩散。因此,这种Pt纳米线膜的氧还原催化活性比Pt/C和Pt黑分别高了2.1和1.8倍。更为重要的是,和商用催化剂相比,这种自支持的Pt纳米结构催化剂的稳定性有显著的提高,这对于质子交换膜燃料电池的应用非常关键。5.进一步深入发展了模板指引水热碳化技术,实现了碳纳米纤维水凝胶和气凝胶的大规模合成。与传统的硅基凝胶表现出的易碎性不同,我们制得的CNFs凝胶结构稳定,并且具有良好的可逆压缩性能。而这种优异的机械性源于该凝胶内部的特殊结构,通过扫描电镜观察发现,该凝胶由尺寸高度均匀的碳纳米纤维组成,并且它们之间有大量的“焊接点”相互联结,形成了一个连续的整体三维纳米线网络结构,因而表现出了优异的机械性能。与传统方法相比,该模板指引水热碳化法合成纳米纤维凝胶结构具有两大突出特点:一是允许放大反应的规模;二是可以对纳米纤维的直径、凝胶结构的密度、以及机械压缩性能进行精确调控。另外,通过一个多步模板过程,首次制得了新颖的Pt纳米线气凝胶结构。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 一维纳米材料模板法制备、组装及其性能研
• 1.1 模板法合成一维纳米材料的最新进展
• 1.1.1 有机模板
• 1.1.2 多孔膜模板
• 1.1.3 用已有的一维纳米结构作模板
• 1.2 一维纳米结构组装成膜的最新研究进展
• 1.3 本论文的选题背景和研究内容
• 参考文献
• 第二章 高活性超细纳米线模板法可控合成高质量一维贵金属和碲化物纳米材料
• 2.1 引言
• 2.2 高活性超细纳米线模板法可控合成高长径比Pt 和Pd 一维纳米材料
• 2.2.1 实验部分
• 2.2.2 结果与讨论
• 2.2.3 本节小结
• 2.3 以超细碲纳米线为模板合成高度均匀的碲化物一维纳米材料
• 2.3.1 实验部分
• 2.3.2 结果与讨论
• 2.3.3 本节小结
• 2.4 本章小结
• 参考文献
• 第三章 自支持碳纳米纤维薄膜的制备及其性能研究
• 3.1 引言
• 3.2 自支持碳纳米纤维薄膜的可控制备
• 3.2.1 实验部分
• 3.2.2 结果与讨论
• 3.2.3 本节小结
• 3.3 碳纳米纤维薄膜的应用（一）：选择性过滤和分离纳米颗粒
• 3.3.1 实验部分
• 3.3.2 结果与讨论
• 3.3.3 本节小结
• 3.4 碳纳米纤维薄膜的应用（二）：水的快速纯化
• 3.4.1 实验部分
• 3.4.2 结果与讨论
• 3.4.3 本节小结
• 3.5 自支持多孔石墨碳纳米纤维薄膜：超级电容器电极材料
• 3.5.1 实验部分
• 3.5.2 结果与讨论
• 3.5.3 本节小结
• 3.6 本章小结
• 参考文献
• 第四章 自支持碳基复合纳米纤维薄膜的制备及其性能研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.3 结果与讨论
• 3O₄复合纳米纤维薄膜及其磁性研究'>4.3.1 CNFs-Fe₃O₄复合纳米纤维薄膜及其磁性研究
• 2复合纳米纤维薄膜'>4.3.2 CNFs-TiO₂复合纳米纤维薄膜
• 4.3.3 CNFs-Ag 复合纳米纤维薄膜及其抗菌性能研究
• 4.3.4 CNFs-Au 复合纳米纤维薄膜及其连续流催化性能研究
• 4.4 本章小结
• 参考文献
• 第五章 自支持 Pt 纳米线薄膜：一种高度稳定的氧气还原 （ORR）电催化剂
• 5.1 引言
• 5.2 实验部分
• 5.3 结果与讨论
• 5.4 本章小结
• 参考文献
• 第6章 高活性碳纳米纤维水凝胶和气凝胶的大规模制备和性能研究
• 6.1 引言
• 6.2 实验部分
• 6.3 结果与讨论
• 6.3.1 高活性碳纳米纤维水凝胶和气凝胶的大规模可控制备
• 6.3.2 Pt 纳米线气凝胶的制备
• 6.4 本章小结
• 参考文献
• 致谢
• 在读期间发表的学术论文