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38200字硕士毕业论文天然纤维素材料视角下含钛无机纳米材料的制备及性能分析

论文类型:硕士毕业论文
论文字数:38200字
论点:纳米,材料,模板
论文概述:

通过高温镁热还原的方法,制备了氮化钛纳米管材料并对其电化学性质做了检测;在第五章中,我们通过表面溶胶-凝胶的方法,将二氧化铁超薄膜沉积到滤纸纤维素表面,通过煆烧除掉滤纸模

论文正文:

第一章导言

[现代经济的快速发展不仅给人们带来了经济繁荣,也给环境带来了沉重的负担。能源短缺和能源过度使用造成的环境污染已经成为人们必须面对的两大问题。纳米材料因其表面效应、量子尺寸效应、小尺寸效应和宏观量子隧穿效应等诸多优点,在光、电、热、磁、催化等领域得到了广泛的应用。预计它将在环境治理和新能源开发方面提供强有力的技术支持。半导体光催化剂,特别是纳米二氧化钛材料,具有化学性质稳定、抗光衰减能力强、无毒、成本低等优点。使它们成为最广泛研究和最有前途的绿色光催化剂。纳米材料的合成方法很多,其中模板法因其实验装置简单、操作方便、形貌可控、应用范围广等优点,近年来引起了人们的极大兴趣。在各种结构和形态的模板中,生物模板因其微观复合和宏观完美的结构特征而受到研究者的青睐。以天然生物为模板,设计合成具有天然生物微观结构和形态特征的二氧化钛材料,并将其应用于环境净化和新能源开发研究,具有特殊的意义。在各种生物模板中,天然纤维素材料因其分布广、无毒、无污染、易降解和优异的物理化学性能,已成为制备大比表面积二氧化钛纳米材料的优良模板。

1.1纳米材料的模板合成

1.1.1纳米材料简介
纳米材料是指至少一个维度在纳米尺度范围内或由这些纳米尺度的基本结构单元组成的三维材料空。由于材料的基本组成单元在纳米水平,与普通块体材料相比,纳米材料表现出特殊的物理化学性质,在电子(1)、光催化[2)、催化、激光、电催化电致发光、光致发光、磁记录、光电转换、超导、分子识别和传感[6)、电池复合材料等领域具有广阔的应用前景。自从1990年7月在美国召开第一届纳米技术国际会议,纳米材料科学被正式宣布为材料科学的一个新分支以来,纳米材料得到了突飞猛进的发展。人们在如何设计和合成纳米+米结构材料、纳米材料的改性和改性、纳米电子器件的有序化和功能化、纳米电子器件的制备和集成、纳米电子器件的研发等方面进行了深入探索,并取得了突出的成果。由于纳米材料的合成是研究纳米材料性能的基础,因此如何制备纳米材料受到人们的高度重视。

1.1.2纳米材料模板合成的定义和特征
20世纪80年代,美国科罗拉多州立大学化学系马丁教授领导的一个研究小组首次采用模板法合成纳米结构材料。自此,纳米材料的模板合成引起了广泛的兴趣,并取得了很大的进展。所谓模板法(Template method)是指通过物理或化学方法将纳米结构材料的前体沉积到模板的孔或表面,然后除去模板,得到具有模板形态结构和标准尺寸的纳米材料的过程。与溶胶凝胶气相化学法[13]和水热合成法N4 _ I6相比,模板法有许多优点,主要表现在:(1)大多数模板易于合成,其性质和结构可以精确控制在一定范围内;(2)模板合成方法相对简单,可以批量生产;(3)模板合成可以在控制纳米材料尺寸和形状的同时解决纳米材料的分散稳定性问题;(4)模板法特别适用于一维纳米材料的合成,如纳米管、纳米线、纳米带等。因此,模板合成纳米材料被认为是合成纳米材料和纳米阵列最理想的方法。模板合成中最重要的一步是制备性能优异的模板。理论上,该模板除了具有纳米结构外,还具有价格低廉、易获得、形状易于控制的优点。用于合成纳米材料的模板有很多种,主要包括纳米孔模板、纳米结构模板、软模板等。

第二章基于天然纤维素材料的二氧化钛包覆碳纳米纤维材料的制备及光催化性能

2.1序言
在亿万年的进化过程中,自然生物通过不断磨合积累,组织结构单元有序组装,形成了从宏观到纳米的独特结构和形态特征。这些独特的结构和形态特征赋予生物体与人工材料相比无法比拟的优良特性和功能。纳米技术的发展为人工材料的合成提供了有效的途径。通过仿生学等方法,可以准确复制生物模板的结构,并将生物体独特的结构和形态复制到人工材料中,从而获得具有特殊功能的人工仿生材料。据文献报道,自然界中的许多生物,包括细菌、树叶、蝴蝶翅膀、蛋壳、藻土甚至昆虫眼睛[3-8],它们都被用作仿生材料的模板,并且制备了能够精确复制生物模板的特定结构和形态的各种材料,如人造材料如二氧化乙烯、二氧化钛、分子蹄、元素EVA、聚合物等。生物模板的合成方法有很多。常见的合成方法包括化学气相沉积[5)、气固相交换沉积、原子层沉积[9)和湿化学如溶胶-凝胶法等。在以前的研究工作中,我们已经建立了一套以天然纤维素为模板,通过表面溶胶-凝胶法从纳米水平精确复制纤维素微观结构的制备氧化物纳米管的方法。除了用作模板之外,天然纤维素还可以用作碳纤维的前体和氧化物纳米管的支架,以制备复合纳米材料。此外,可以获得结合支架材料和客体材料的优异性能的复合材料。此外,纤维素和客体材料可以在适当的条件下碳化,也可以获得具有特殊形态的碳材料。在这一章中,我们使用天然纤维素材料作为模板和碳源来制备涂有二氧化秦的碳纳米纤维材料。

第三章基于天然纤维素物质的银纳米粒子负载.........73
3.1导言.........73
3.2实验仪器和试剂.........75
3.2.1实验仪器.........76
3.2.2主要试剂.........76
3.3实验方法.........76[/溴/] 3.3.1二氧化钛涂层碳纳米纤维.........77[/溴/] 3.3.2银纳米粒子的装载.........78[/溴/] 3.3.3银含量的测定.........78[/溴/] 3.3.4抗菌性能.........78[/溴/] 3.3.5表征方法.........78
3.4结果和讨论.........79
3.4.1结构表征.........80
3.4.2抗菌性能.........80
3.5本章摘要.........80
第四章基于天然纤维素的氮化钕纳米粒子.........81
4.1导言.........81[/溴/] 4.2实验仪器和试剂.........83[/比尔/] 4.2.1实验仪器.........84[/溴/] 4.2.2主要试剂.........84[/比尔/] 4.3实验方法.........85
4.3.1氮化钛纳米管材料的制备.........85
4.3.2电化学性能测试.........86
4.3.3表征方法.........87
4.4结果和讨论.........88
4.4.1形态学观察.........89
4.4.2相位特性.........89
4.4.3表面成分.........95
4.4.4比表面积.........100
4.4.5电化学性能测试.........100
4.5本章摘要.........104

结论

本文将贵金属纳米粒子沉积在其上,得到具有特定功能和性能的复合纳米材料。主要内容和结论如下:以天然纤维素为基体,通过表面溶胶-凝胶法在滤纸的每根纤维上沉积二氧化钛纳米薄膜,制备fe2o 3/滤纸复合材料;然后对二氧化钛/滤纸复合材料进行后续碳化处理,滤纸转化为碳纤维,无定形二氧化钛转化为锐钛矿晶型,制备锐钛矿二氧化钛包覆碳纤维复合材料;将复合材料浸泡在硝酸银溶液中,通过光还原法负载银纳米粒子,最终得到负载银纳米粒子的二氧化钛-碳纤维复合材料。该复合材料微观上具有天然纤维素材料的层状结构和形态特征,碳纤维直径在几纳米至几百纳米之间,具有多孔结构;二氧化钛纳米薄膜均匀涂覆在厚度均匀(约12纳米)的碳纤维上;与负载在二氧化钛纳米管上的银纳米粒子相比,负载在二氧化钛-碳纤维复合材料上的银纳米粒子含量更高((9.5±0.1)%),粒径均匀,平均直径为5纳米。由于银纳米粒子、二氧化钛纳米薄膜和碳纳米纤维之间的协同抗菌作用,该材料对革兰氏阳性菌(金黄色葡萄球菌)和革兰氏阴性菌(大肠杆菌)具有良好的抗菌性能,因此在水处理系统中具有很高的潜在应用价值。氮化钛纳米管材料。以天然纤维素为模板,采用溶胶-凝胶法制备了模仿天然纤维素微观形态的二氧化钛纳米管材料。然后将制得的二氧化钛纳米管状材料与镁粉在氮气中通过高温镁热还原法进行高温还原反应(1200℃),最终得到具有天然纤维素微观形貌的氮化钛纳米管状材料。该材料在微观上完全复制了天然纤维素复杂的形态和结构特征,管壁厚度均匀(40-50纳米);与氮化钛纳米粒子相比,该材料具有更大的比表面积(31.4 m2/g);选区电子衍射图显示氮化钛纳米管状材料具有单晶结构。电化学性能表明,该材料具有双电层电容器的典型特性,当电流密度为0.16 a/g时,比电容高达74.2F/g,电化学阻抗谱也表明该材料的电荷转移电阻仅为0.69 Q,证明该材料具有良好的电化学性能,可作为具有潜在应用价值的理想电极材料。

参考
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