以細菌纖維素為模板的SiO2和TiO2三維網(wǎng)絡(luò)型納米材料的制備與性能研究.pdf

1、細菌纖維素（Bacterial Cellulose，BC）具有類似于天然細胞外基質(zhì)的三維納米纖維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，其表面擁有單一、均勻分布的羥基，易于改性和復(fù)合。對BC進行無機礦化制備具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的納米材料是一個新興的研究方向，在催化、熒光、磁性能、吸波、太陽能電池及組織工程支架等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。在無機物的形成過程中，BC起到形核位點、空間位阻及三維支架等作用，可以有效降低無機產(chǎn)物的微觀尺寸，形成納米無機物。然而在已有的研究中，以B

2、C為模板形成無機物的過程通常使用酸或堿等催化劑，且形成的無機粒子多為零維。本課題以BC作為礦化模板，同時作為反應(yīng)劑和催化劑，制備了具有類似BC三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的SiO2納米管、TiO2納米線及TiO2納米管。
　　本課題在常溫（RT）或-30℃溫度下，將乙醇處理過的BC氣凝膠浸入1M的TEOS乙醇溶液中水解和縮聚24 h，再浸入醇水比為9 ml:1 ml的溶液中水解48 h，將產(chǎn)物冷凍干燥后，經(jīng)500℃煅燒去除BC模板，得到具有三維網(wǎng)

3、絡(luò)結(jié)構(gòu)的無定型SiO2-RT和SiO2-30納米管。SiO2-RT和SiO2-30的平均直徑分別為63.1 nm和43.7 nm，平均壁厚分別為18.6 nm和9.0 nm。SiO2/BC-RT雜化材料的傅里葉紅外圖譜（FTIR）中出現(xiàn)了SiO2的特征峰，表明SiO2和BC纖維之間是一種化學(xué)結(jié)合。TG/DSC結(jié)果顯示SiO2/BC-RT中的SiO2含量為50.8 wt％，高于SiO2/BC-30中的34.8 wt%。氮氣吸附-脫附曲線的

4、計算結(jié)果表明，SiO2-RT與SiO2-30的比表面積分別為177.1 m2·g-1和451.0 m2·g-1，介孔尺寸分別為3.819 nm和3.81 nm，無定型SiO2-RT和SiO2-30納米管管壁的密度大約是石英密度的22.9%和18.6%。SiO2-30納米管比SiO2-RT的比表面積更大，管壁密度更疏松，存在更多的缺陷，因此熒光發(fā)光強度更高。在壓縮應(yīng)變?yōu)?0%時，組織工程支架材料 SiO2-RT納米管所能承受的壓縮應(yīng)力為9

5、.18 kPa。選用小鼠成纖維細胞（L929）和人骨肉瘤細胞（MG-63）評估SiO2-RT納米管的生物相容性，通過倒置光學(xué)顯微鏡觀察納米管支架周邊的細胞生長狀況，通過掃描電子顯微鏡觀察細胞在納米管支架表面的生長狀況，通過CCK-8實驗定量檢測SiO2納米管對細胞生長的影響，結(jié)果表明SiO2納米管生物相容性良好。
　　在RT溫度下，將異丙醇處理過的BC氣凝膠浸入0.1 M和0.3 M的鈦酸丁酯/異丙醇/乙酰丙酮溶液中水解和縮聚24

6、 h，再浸入醇水比為9 ml:1 ml的溶液中水解48 h，將產(chǎn)物冷凍干燥后，經(jīng)500℃煅燒去除BC模板得到具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的銳鈦礦TiO2-01納米線。在600℃、700℃與800℃煅燒得到的銳鈦礦TiO2
　　中出現(xiàn)金紅石相。TG/DSC測試顯示TiO2/BC-01-AcAc和TiO2/BC-03-AcAc雜化材料的TiO2含量分別為19.8 wt%與52.4 wt%，而且TiO2的存在降低了BC模板的熱解溫度。甲基橙光降解實

7、驗表明，煅燒溫度越高，TiO2納米線的光催化能力越弱。
　　在制備TiO2納米線的基礎(chǔ)上，不添加乙酰丙酮作為催化劑，制備TiO2/BC雜化材料，500℃煅燒得到類似BC三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的銳鈦礦TiO2納米管。在600℃煅燒得到的TiO2為銳鈦礦，在700℃與800℃煅燒得到的銳鈦礦TiO2中出現(xiàn)金紅石相。TiO2/BC-01雜化材料的FTIR圖譜分析顯示TiO2和BC纖維之間存在化學(xué)結(jié)合。TG/DSC結(jié)果顯示TiO2/BC-01中的T

8、iO2含量為11.6 wt%，而且TiO2的存在降低了BC模板的熱解溫度。氮氣吸附-脫附曲線的計算結(jié)果表明，TiO2-01的比表面積和介孔尺寸分別為1629 m2·g-1和3.4 nm。甲基橙光催化實驗表明，500℃、600℃與700℃煅燒得到的TiO2納米材料40 min的光降解率接近100%。在壓縮應(yīng)變?yōu)?0%時，組織工程支架材料TiO2-01納米管所能承受的壓縮應(yīng)力為1.80 kPa。選用L929和MG-63細胞評估TiO2-01