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具有环境修复功能的纳米复合布局的设计合成
具有环境修复功能的纳米复合结构的设计合成 中文摘要
中文摘要
纳米科学为环境修复提供了新的技术手段,包括纳米光催化技术、纳米膜分
离技术及纳米吸附技术。研究表明,把一维的TiO2 纳米纤维组装成大尺寸的二维
薄膜材料,可以得到易于回收分离的光催化材料,同时由于一维纳米结构的缠绕
交织,形成了多孔的网格结构,赋予了薄膜吸附分离的功能;其次,磁性空心纳
米结构具有密度低、比表面大、易于分离回收等优点,是理想的快速吸附材料。
在本论文中,我们尝试改进 TiO2 纳米纤维薄膜材料的构筑工艺和磁性空心材料的
制备方法,同时利用碳材料(如碳纳米管、石墨烯等)、金属材料及半导体材料对
其进行修饰和性能优化,探究其在环境修复领域(有机污染降解、水处理、生物
大分子吸附)中的应用。主要结果简述如下:
(1)TiO2 纳米纤维薄膜的液液界面法构筑及其光催化性能研究:通过钛酸四
正丁酯和氢氧化钠在正己烷/水界面处的溶剂热反应以及酸洗、煅烧后处理,成功
制备了二氧化钛纳米纤维薄膜。钛酸四正丁酯和氢氧化钠在液液界面处发生反应,
生成高结晶度的纳米纤维,这些纤维的宽度低于200 nm,长度达到几十微米。薄
膜由纳米纤维相互穿插交织而成,并且薄膜的表面分布着很多几十纳米到几百纳
米的小孔。受益于这种多孔结构,制备的纳米纤维薄膜在光催化降解染料时展示
出很高的光催化活性。
(2 )自支撑CNTs/TiO2 纳米纤维薄膜的构筑及其光催化性能研究:通过钛酸
四正丁酯和 CNTs 在 NaOH 溶液中的一锅煮水热反应直接制备了自支撑的
CNTs/TiO2 纳米纤维薄膜。钛酸四正丁酯与氢氧化钠反应生成高结晶度的纳米纤
维,这些纳米纤维的直径低于200 nm,长度达几十微米甚至更长。CNTs 和纳米纤
维结合,使其自组装成自支撑的纳米纤维薄膜。CNTs 作为连接纳米纤维之间的
“桥”,对薄膜的形成具有决定性影响。结合了CNTs 的薄膜不仅增加了TiO2 的光
吸收率,而且有利于光生电荷的分离。因此,与单独 TiO2 相比,CNTs/TiO2 纳米
纤维薄膜能够在较短的时间内促使亚甲基蓝完全光降解。
(3 )石墨烯氧化物辅助构筑TiO2 纳米纤维薄膜及其选择透过性和清洁功能研
究:通过钛酸四正丁酯、石墨烯氧化物(GO )和氢氧化钠的水热反应直接组装制
备了宏观纳米纤维薄膜。钛酸四正丁酯和氢氧化钠反应生成高结晶度的纳米纤维,
I
中文摘要 具有环境修复功能的纳米复合结构的设计合成
其平均直径小于 100 nm,长度在几十到几百微米之间。GO 和纳米纤维结合,使
其自组装成自支撑的纳米纤维薄膜。薄膜的表层是由纳米纤维的无序交织缠绕构
成,而薄膜的夹层是由纳米纤维的竖直紧密排列构成,这与传统过滤法得到的薄
膜的混乱内部结构完全不同。受益于这种独特有序的内部结构,薄膜具有选择透
过性:水分子可以透过薄膜,而染料分子和细菌难以透过(截留时间:甲基蓝 120
h,罗丹明 24 h, 甲基橙 120 h,大肠杆菌 24 h )。另外,薄膜对截留的染料展示
出很高的光催化活性,这主要得益于薄膜集合了光催化功能、多孔性和优异的光
生电子空穴分离能力。因此,薄膜既具有分离功能,又具有清洁功能,在膜法水
净化领域有着广泛的应用前景。
(4 )TiO2 纳米纤维在泡沫NiO-Ni 上的大规模生长:在泡沫Ni 上预涂布一层
TiO2 颗粒,通过TiO2 颗粒和氢氧化钠的水热反应以及后续的酸洗、煅烧处理,成
功实现了TiO2 纳米纤维在NiO-Ni 泡沫上的大规模生长。光催化降解罗丹明B 的
实验表明产物在水净化领域具有很强的实用性,可以方便的回收并且能够重复使
用;Au 纳米颗粒的截留实验表明产物具有尺寸依赖的透过性,允许小尺寸的 Au
颗粒通过,而截留大尺寸的Au 颗粒。以上结果说明TiO2 纳米纤维改良的NiO-Ni
泡沫不仅具有清洁功能,而且具有分离功能,是一种具有应用前途的环境修复材料。
(5 )ZnO/ZnS/γ-Fe O 开口空心球的微波法合成及性能研究:通过微波合成法
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