基于取向冷凍技術(shù)設(shè)計(jì)制備的宏觀三維有序納米組裝體及性能研究.pdf

1、伴隨著納米科技的迅速發(fā)展，各種高性能納米材料不斷問(wèn)世，其潛在應(yīng)用價(jià)值已經(jīng)滲透到各行各業(yè)中。然而，單一的納米結(jié)構(gòu)單元并不能滿足實(shí)際應(yīng)用的迫切需求。將其組裝成具有多級(jí)有序結(jié)構(gòu)的宏觀三維納米組裝體材料，成為進(jìn)一步推動(dòng)其實(shí)際應(yīng)用的必要途徑。目前，雖然國(guó)內(nèi)外在宏觀三維納米組裝體的構(gòu)筑和應(yīng)用方面取得了一系列進(jìn)展，但在宏觀尺度上對(duì)其微納結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確調(diào)控，仍然處于隨機(jī)探索階段，實(shí)現(xiàn)宏觀三維納米組裝體的實(shí)際推廣應(yīng)用還面臨著很多關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題和技術(shù)難題。發(fā)展

2、便捷、高效、可控的宏觀三維組裝方法將是解決各領(lǐng)域?qū)π滦秃暧^三維納米組裝體材料迫切需求的重要策略之一，近年來(lái)受到研究人員的廣泛關(guān)注。本論文著眼于這一點(diǎn)，首先綜述了宏觀三維納米組裝體材料在各領(lǐng)域中的應(yīng)用研究進(jìn)展，重點(diǎn)闡述了目前用于制備宏觀三維納米組裝體材料的各種組裝方法，同時(shí)重點(diǎn)闡述了取向冷凍技術(shù)的研究進(jìn)展以及其在材料結(jié)構(gòu)調(diào)控方面的先進(jìn)技術(shù)優(yōu)勢(shì)。基于此，我們旨通過(guò)進(jìn)一步探索和挖掘基于取向冷凍技術(shù)的新型宏觀三維組裝方法，對(duì)不同納米結(jié)構(gòu)單元在宏

3、觀尺度的三維空間進(jìn)行結(jié)構(gòu)的有序調(diào)控，以設(shè)計(jì)和構(gòu)筑多種具有三維有序結(jié)構(gòu)的新型宏觀納米組裝體材料，并滿足相關(guān)領(lǐng)域?qū)嶋H應(yīng)用需求的目標(biāo)。所取得主要研究結(jié)果如下:
　　1.探究了一種可通用于多種納米結(jié)構(gòu)單元的簡(jiǎn)單宏觀三維組裝方法。通過(guò)單向冷凍方法首次制備出一種具有取向有序多孔結(jié)構(gòu)的宏觀三維殼聚糖泡沫框架材料，然后利用該框架材料所特有形狀的可回復(fù)性、強(qiáng)吸水性以及對(duì)納米材料的強(qiáng)靜電吸附性，以其作為不同納米結(jié)構(gòu)單元的支撐模板，我們實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同維度

4、的納米結(jié)構(gòu)單元（包括零維的納米顆粒、一維的納米線以及二維的納米片）的宏觀三維有序組裝。結(jié)果表明所得的三維有序結(jié)構(gòu)宏觀納米組裝體不僅保留了原本支撐框架所特有的形狀記憶性能，同時(shí)被賦予相應(yīng)納米結(jié)構(gòu)單元所特有的功能性。
　　2.基于有序結(jié)構(gòu)殼聚糖彈性框架材料，發(fā)展了一種納米催化劑固定化反應(yīng)器的制備方法。在此，我們通過(guò)調(diào)控取向冷凍參數(shù)獲得了幾種具有不同孔徑尺寸的載體框架，并系統(tǒng)地研究了框架孔徑尺寸對(duì)其彈性回復(fù)速度和最終所得固定化反應(yīng)器催化

5、效率的影響。結(jié)果表明，基于該柔性宏觀三維有序框架結(jié)構(gòu)的納米催化劑固定化反應(yīng)器實(shí)現(xiàn)了良好的連續(xù)液相催化效果和光催化降解有機(jī)染料效果。該納米催化劑載體材料由于其獨(dú)特的取向多孔結(jié)構(gòu)、強(qiáng)吸水回彈性能以及對(duì)多種納米催化劑的通用性載附，使其相比傳統(tǒng)納米催化劑載體材料具有諸多優(yōu)勢(shì)。
　　3.發(fā)展了一種適用于一維納米線的宏觀三維有序組裝方法，利用單向冷凍技術(shù)在沒(méi)有使用任何聚合物膠黏劑的情況下成功地將一維銀納米線組裝成了具有三維有序多級(jí)結(jié)構(gòu)的可自支

6、撐宏觀組裝體材料。該組裝方法不僅操作簡(jiǎn)單，可以大量制備，而且適用于其他一維納米結(jié)構(gòu)單元材料。所制備的銀納米線三維宏觀組裝體不僅具有優(yōu)越的導(dǎo)電性，同時(shí)具有獨(dú)特的微觀有序多級(jí)結(jié)構(gòu)，且可以通過(guò)調(diào)節(jié)冷凍參數(shù)對(duì)其微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確調(diào)控?；诖?，我們進(jìn)一步在其三維網(wǎng)絡(luò)中灌注聚二甲基硅氧烷(PDMS)彈性體，并成功獲得了可拉伸的彈性導(dǎo)體材料。各項(xiàng)測(cè)試結(jié)果表面，這種基于三維有序結(jié)構(gòu)銀納米線宏觀組裝體的彈性導(dǎo)體材料相比其他二維結(jié)構(gòu)或三維結(jié)構(gòu)的彈性導(dǎo)體材料具

7、有突出的優(yōu)勢(shì)。
　　4.發(fā)展了新型的雙向冷凍方法，通過(guò)聯(lián)合高溫碳化過(guò)程成功制備了基于碳/石墨烯復(fù)合材料的層狀多拱結(jié)構(gòu)宏觀組裝體材料。由于該組裝體中的微拱結(jié)構(gòu)起到基本彈性元件的作用，并且取向一致，所以盡管所得組裝體是由脆性碳組分構(gòu)成，其仍然具有卓越的可壓縮性能和回彈性能。研究表明，該彈性組裝體可以像彈簧一樣以大于580 mm/s的速度將小金屬球彈回，同時(shí)，即使在90％的大壓縮應(yīng)變情況下仍可完全回復(fù)原狀，并且在每一個(gè)壓縮循環(huán)中只伴隨有