关键词： 毛竹遗态Fe2 O3/Fe3 O4/C复合材料   吸附   锑(III )  

摘要： 以毛竹遗态Fe2 O3／Fe3 O4／C复合材料为吸附剂，锑（III ）初始含量、溶液初始pH值、吸附剂投加量以及吸附剂粒径为影响因素开展吸附影响研究。结果表明，随着锑（III ）初始浓度的升高，毛竹遗态Fe2 O3／Fe3 O4／C复合材料对锑（III ）的吸附量逐渐增加；初始溶液pH为7时，对锑（III ）的吸附效果最好，吸附量为4．7821 mg／g；块状吸附剂对水中锑（III ）的去除率和吸附量与粉末状吸附剂吸附效果相当。

关键词： 桉树遗态   Fe2O3/Fe3O4/C   复合材料   吸附   砷  

摘要： 以制备的桉树遗态FeO/FeO/C复合材料(PBGC-Fe/C)为吸附剂,对某尾矿库废水中砷等重金属进行了吸附实验。研究了温度、pH、废水化学组成、吸附剂投加量及粒径等对吸附的影响。结果表明,吸附剂投加量越大、粒径越小,温度为35℃,p H为3左右吸附效果最好。但实际废水组分复杂,存在竞争吸附及化学沉淀等使砷的总去除率随p H的增大而增大。综合考虑,吸附砷的最佳条件组合为废水p H=5,PBGC-Fe/C投加量0.06 g/m L,粒径<150μm。此时废水中总砷质量浓度为0.487 mg/L,可达标排放。

关键词： 自然选择   应用   材料   《物种起源》   生物分类   选择过程   达尔文   野生生物  

摘要： 19世纪起，科学界对生物分类的收敛性和对于大陆形成及化石地质学的研究发展迅速，1859年达尔文著作《物种起源》问世，人类对自然生物的认识进入一个崭新的阶段。在该书中，查理·达尔文认为人类的繁衍属于“非自然”选择，人类自身发生着系统性变化，所以野生生物也是一个物竞天择的过程，认为自然选择过程可以比喻成“自然战争”，包括其他动物、寄生物、食物供应、温度和水源等外界环境压力。达尔文的进化论观点认为，动物和植物进化至今的复杂、精细结构和功能组织，是经过在残酷的自然选择和不断抗争中变异繁衍，是在残酷的自然选择过程之下得以生存的结果，这种演变就形成了无穷无尽、美轮美奂、尽善尽美的生命形式和白然物质。

关键词： 稻壳   分级多孔   多维   遗态材料   催化性能  

摘要： 多级孔或多维度半导体光催化剂因其具有不同等级尺度的孔道结构、可控的电子传输性质、高的比表面积和孔体积等优点在汽车尾气净化、有机废水降解等相关领域有着广阔的应用前景，其微观结构及形貌直接影响材料物理化学性质和催化效率，为此半导体光催化剂材料结构的设计和微观形貌的控制成为改善其性能的有效途径。自然界经过亿万年的不断进化，其生物具有多层次、多维和多级孔的精细化结构，利用自然生物遗态结构的优势和半导体光催化剂良好的光催化性能，通过物理化学处理得到的既保持自然界生物自身结构，又具有人为赋予的特性的新型结构、功能以及廉价、稳定、高效的半导体光催化剂，已成为半导体光催化领域研究趋势之一。 稻壳作为一种资源丰富的农业副产品，其主要成分是二氧化硅和有机质，经处理后其遗态材料是一种具有多层次、多级孔的精细结构二氧化硅，为进一步制备出具有新型特性的材料提供了有利途径。然而，这种精细化的多级孔结构在外界条件如酸处理、高温等作用下会遭到破坏，而无法发挥其特性。目前稻壳的研究和应用主要集中在对其含有的矿物成分的开发和利用之上，而未能充分发挥其本征的精细化孔结构。为此，本论文首先对稻壳遗态结构在外界条件下的演变规律进行了研究，在此基础上研究了其遗态结构的保护方法和途径;其次，利用物理、化学合成技术对稻壳的遗态结构进行精细化修饰，合成出具有一维修饰三维的多维度复合多级孔结构复合材料，对其合成机理、孔隙结构、微观结构进行较为系统的分析和研究，并以其为模板制备出具有多维度复合多级孔结构的半导体光催化剂，对其光催化性能进行表征，探讨其结构和性能的关系，为充分利用稻壳的遗态结构和构筑多维度多级孔半导体光催化剂提供了有效途径和理论基础。本论文的主要研究工作及结果如下： (1)研究稻壳在酸处理和高温处理条件下遗态结构的演变规律，并利用氧化物溶胶浸渍稻壳，对其遗态结构进行了保护。经浓度大于1wt.%的盐酸处理或高于1000℃高温处理3h后，稻壳的多孔遗态结构会变得疏松，最终多孔遗态结构坍塌破坏;二氧化钛和氧化锆溶胶处理后，经1400℃高温处理，稻壳的多孔遗态结构可以得到较好的保留。 (2)以稻壳为遗态模板，采用浸渍法，同时引入Zn2+和二氧化钛，锌氮共掺杂TiO2/SiO2复合材料，对其微观结构和光催化性能进行了研究。结果表明，制备的复合材料具备了稻壳所具有的遗态结构，二氧化钛以纳米颗粒的形式覆着在其孔壁上，该材料在可见光下具有良好的光催化性能，在可见光作用下80min后即可将40μMRhB光催化降解98%（催化剂使用量1g/L）。其主要原因一方面是多级孔结构提供了较大的比表面积，另一方面，氯化锌的引入，可以活化稻壳中的碳质成分，增加试样的比表面积，并且可以对二氧化钛进行有效掺杂，与此同时，稻壳中含量丰富的N元素可以对遗态TiO2自掺氮。 (3)以稻壳为遗态模板，氯化锌溶液为浸渍剂，通过两步热处理，制备了ZnO/SiO2多级孔多维度复合光催化材料，研究了合成工艺、微观结构及其光催化性能，分析了材料的生长机理。结果表明，氯化锌浸渍稻壳，氮气气氛下300℃、400℃和500℃处理3h后于空气中450℃和550℃处理3h，在稻壳遗态材料表面和孔隙中可以生成正六边形或尖顶状，直径400-2500nm，长度3-5μm的氧化锌亚微米柱。材料比表面积约6-14m2g-1。处理浓度和处理温度对氧化锌亚微米柱数量和形貌有较大影响。该材料在紫外光下具有一定的光催化性能，120min后可将10μMRhB光催化降解90%（催化剂使用量1g/L）。 (4)以稻壳为模板和主要原料，采用浸渍法引入过渡金属催化剂前驱体(R-Ni)，通过热处理原位催化稻壳有机组分热解碳形成一维碳材料，从而制备出一维碳纳米结构修饰的多级孔材料（RHx-y），并以制备得到的一维碳纳米结构修饰的多级孔材料为载体负载TiO2（TiO2/RHx-y），对其微观结构和催化性能进行了研究。结果表明，热处理温度为1200℃时，大量碳纳米管在稻壳遗态结构中生成，当处理温度达到1300℃时，大量SiC和Si2N2O纳米线在稻壳遗态结构中生成，形成的一维修饰三维的多维度复合多级孔结构复合材料的比表面积为36-90m2g-1，为稻壳灰的5-10倍。所制备得到的光催化剂TiO2/RHx-y紫外光作用下在80-100min即可将10μMRhB完全除去，而同样条件下二氧化钛将RhB降解80%需要140min。 (5)以稻壳为基体，氯化锌为浸渍剂和生长模板，氮气气氛中热处理，在稻壳遗态结构孔隙和表面原位生长二氧化硅纳米结构，制备了一维SiO2微纳米结构修饰三维多级孔SiO2@C的多级孔多维度复合材料。结果表明，经1200℃处理，在稻壳遗态结构中有大量呈现珊瑚状、纺锤状或含纳米孔的扇形微米片状的一维SiO2生成，所制备的多级孔多维度复合材料比表面积可达8

关键词： 材料科学   上海交通大学   功能材料   功能特性   交通部第一交通大学   金属基复合材料   遗态材料   蝴蝶翅膀   蝴蝶效应   领域  

摘要： 在刚刚召开的2014年度上海市科学技术奖励大会上,上海交通大学的张荻教授及其团队,以"基于生物分级精细结构的材料功能特性研究"项目,获得自然科学奖一等奖。具有分级结构的功能材料是材料科学领域中的一类新型材料。这种材料在微、纳米连续尺度范围内具有复杂的形态结构并呈现多层次分布,而其特有的微观形态结构也提供了独特功能特性的可能。传统物理化学的制备方法对多尺度和多层次的纳米材料存在一定的局限性。张荻教授团队

关键词： 遗态材料   分级结构   光功能材料   仿生材料  

摘要： 传统设计与制备技术手段往往难以实现预期精细结构与功能构筑,从而限制了材料结构-性能之间新现象的发现与新机理的建立。借用经亿万年自然优化的生物自身多层次、多维和多尺度的本征结构为模板,通过物理和化学手段,在保留生物精细分级结构的同时,置换生物模板的化学组分为所需功能组分,利用生物精细结构与人工组分之间的耦合关系,可制备既遗传自然生物精细形态,又有人为赋予特性的新材料——遗态材料。围绕具有蝶翅精细结构的遗态光功能材料,分别以金属-半导体功能蝶翅的红外吸收增强及光热转换、金属功能蝶翅的表面等离子体拉曼增强为例,介绍了遗态材料的设计思路、制备方法、性能表征及相关机理探索过程。相关思路与方法为解决分级精细结构难以制备的难题提供了新途径,并为新材料构型设计提供了前瞻性思路和原理验证。

关键词： 模板法   醇   催化氧化   醛   酮   精细化工中间体  

摘要： 以脱脂棉纤维为模板,运用模板法和化学剪裁法制备了多孔管状催化剂Al2O3-AlCl x-3,采用电场发射扫描电镜和光电子能谱对催化剂进行了表征。结果表明,该催化剂较好地复制了棉纤维的宏观和微观结构,呈现出明显的生物形貌特征。将Al2O3-AlCl x-3催化剂用于醇氧化反应,考察了溶剂体系、催化剂用量、反应温度及时间等因素对反应性能的影响。实验发现,在最优条件下Al2O3-AlCl x-3催化下可以高选择性地将醇氧化为相应的醛或酮,且该催化剂具有很好的重复使用性能,并提出了可能的反应机理。

关键词： 生物模板   氧化铈   分级多孔   生物氮源   催化氧化  

摘要： 氧化铈是一种用途十分广泛的稀土材料，因铈离子独特的电子构型以及氧化铈独特的晶体结构，使得氧化铈在汽车尾气净化处理、气体传感器以及固体燃料电池等方面展现出了巨大的发展潜力。经研究发现具有分级多孔结构的纳米氧化铈，不仅能够满足材料对自身微观纳米结构的影响，而且可以有效的提高材料的催化活性和氧缺陷的含量。因此，分级多孔结构纳米氧化铈材料成为近年来研究的重点，如何实现对其的合成与制备均具有非常重要的现实意义。\n 在常规方法无法实现对分级结构材料的精确制备的条件下，生物模板法应运而生。而自然界经过了上亿年的进化，为我们提供了丰富的具有精细分级结构的生物体。因此本文设想可以利用自然界中复杂多变的生物体的精细结构来合成具有特殊功能的新型材料。\n 本文采用生物模板法，利用自然界中较易得的山茶花花瓣、油菜花粉为天然的生物模板，通过硝酸铈溶液的浸渍，合成具有多孔结构的氧化铈材料。考察了模板与硝酸铈的配比、反应的时间、煅烧的温度等对材料形貌及性能的影响规律，以便确定最优的制备工艺。并通过CO的催化氧化和亚甲基蓝染料的降解，对制备的材料进行性能分析，探讨在精确复制生物体分级精细结构的前提下，所制备得到的氧化铈材料的催化反应活性。\n 本文的两组实验均是先通过热重分析(TGA)来确定样品的最佳煅烧温度;采用N2吸脱附仪，在77K下测定样品的吸脱附等温曲线，并通过BET方程计算样品的比表面积，用BJH拟合吸附等温线得到样品的孔径分布曲线;并通过不同制备条件下样品的SEM、TEM、XRD等手段对样品形貌和晶体结构进行表征。结果表明，当煅烧温度为550℃时，能够完全去除原始模板，并且较好的保留了原模板的形态特征，得到了具有分级精细结构的氧化铈材料。由两种模板制备得到的氧化铈材料均是由面心立方萤石结构的纳米晶体颗粒堆积形成的，晶粒大小约为5-10 nm，两种结构的氧化铈材料具有丰富的孔道结构，其纳米微孔孔径分别集中15-18 nm和2-4 nm。且具有较大的比表面积，两种不同形貌氧化铈材料的比表面积分别为98.6 m2/g和158.6 m2/g。\n 使用XPS和EDS能谱分析仪对材料表面的元素组分进行定性和定量分析，结果表明，生物模板中含有大量的含氮官能团，有效的实现了对氧化铈材料的生物氮掺杂，含氮量大约为5.67％，材料中的氧缺陷和氧空位的含量也随之增加。另外，H2-TPR测试结果表明，两种含有丰富多孔结构的氧化铈材料体相氧活性和氧扩散能力均有较大提高，进而大大提高了材料的氧储存能力。\n 考察了两种不同仿生形态氧化铈材料对模拟亚甲基蓝印染废水的催化降解能力和对CO的催化氧化活性，结果表明，两种模板得到的氧化铈材料对亚甲基蓝均具有一定的吸附性能，且具有较高比表面积和较多氧缺陷比例(43.7％)的花粉结构得到的氧化铈对亚甲基蓝的降解能力相对较高，在反应90 min后染料脱色率可达到90％以上。并且对CO的催化效果也较好，在400℃的时候对CO的催化效率已经达到80％。

关键词： 氧化铈   仿生遗态   光解水   光催化   制氢   能级  

摘要： 在过去几年中,世界的能源结构依然停滞在利用如煤、石油、天然气等不可再生的化石燃料上。然而,大量化石燃料的燃烧导致了一系列大气和水污染及全球变暖问题。因此,利用阳光分解水制氢作为一种便于储存传输并化为电能的可再生清洁能源技术不断受到人们的关注。 具有先进的分级微纳米结构的半导体材料(如TiO2,ZnO,CeO2和WO3等)因其特殊的禁带结构和能级分布而产生的氧化还原变换,常被用于光解水制氢领域。这类具有特殊微纳米结构的光功能材料的合成技术也得到迅速的发展。此外,这类功能材料也可以应用到如小型化纳米电子学,超快量子计算,高密度内存/数据存储介质,超灵敏化学传感/生物传感器和高效催化底物等纳米应用领域。然而,对于材料学家来说,这类材料的制备依然是个巨大难题。与此同时,自然界经过进化,可持续地创造出大量具有复杂的分级结构,多功能,小型化,环境适应性的纳米材料。忠实地复制这些大自然的设计也许是制备功能性分级微纳米材料的最直接途径。 仿生遗态制备法是一种模仿自然生物的结构、功能、机制、乃至部分或整个活性系统为基础的纳米仿生材料技术,它的关键是通过调控,对生物组织结构所具有的多层分级微纳米多孔结构进行精密复制。本研究采用一系列新型具有分级多孔和功能性的生物结构作为模板,经过低成本且环境友好的仿生遗态法制备相应的仿生氧化铈材料,并将之应用于光解水制氢领域,本文主要研究结论如下： (1)本研究通过特定的工艺将荷花、月季、田园罂粟三种花瓣作为模板,合成仿花瓣形貌氧化铈,使用XRD、HRTEM、FESEM、ESEM、AFM和氮气吸附脱吸附等手段表征发现其是由厚度能达5nm以下的超薄纳米氧化铈层组成;通过特定工艺将硅藻、荷花花粉、细菌作为模板,合成仿生氧化铈微球,通过表征发现制得材料是由氧化铈纳米晶体堆积形成的微米级大孔嵌套纳米级小孔的分级多孔结构;将擦镜纸、鸡蛋膜、菌丝作为模板,合成仿生氧化铈微管,通过表征发现仿生遗态制备法将生物组织的形貌完整地保留在遗态功能材料之中,其中仿菌丝壁材料因复制细胞壁的层层结构也具有超薄纳米层结构。本研究提出了对制备多种仿生氧化铈材料的机理分析,从生物和化学两个角度说明了材料制备的原理。 (2)在制备材料的基础上,进一步结合仿生氧化铈材料的XPS图谱,针对9种仿生氧化铈进行了表面元素价态分析。从分析结果来看,材料中的氧空位的浓度随三价铈比例、掺氮比例的提高而提高,仿生氧化铈中的超薄纳米层结构也有助于提高材料中氧空位的浓度,尤其是纳米层厚度小于4nm的材料,具有高含量的氧缺陷及催化活性位。通过H2-TPR分析,仿生氧化铈材料的颗粒分散性较好,其还原峰温的降低充分说明其催化活性的增强。同样,紫外-可见漫散射光谱也表明仿生氧化铈材料吸收边随着掺氮量、氧空位比例及超薄层结构的增加向可见光区红移。从计算得到的禁带宽度看,以菌丝作为模板的氧化铈仿生微管材料具有最小的禁带宽度2.85eV,这是因为它由3.57nm厚度的超薄纳米层组成,同时又具有具有高浓度的氧缺陷和氮掺杂量而造成的。在可见光下,这种新型材料催化降解亚甲基蓝溶液的效率最高。 (3)基于光解水制氢系统对仿生氧化铈超薄纳米层、微球、微管进行了光催化性能的研究,分析结果表明随着氧化铈材料中氧空位的浓度、掺氮比例和超薄纳米层结构的增加,其在可见光下催化制取氢气的效率会得到提高。这可归因于氧空位在导带底和N2p在价带顶引入的梯度能级,使禁带宽度变窄,易化了电子的跃迁,增强了材料对可见光的吸收,促进可见光下氢气的产生。在制备得的多种仿生氧化铈材料中,以菌丝作为模板的氧化铈仿生微管材料光解水制氢效率最高,光照420min后产氢量达到378μmol/g。这是因为其既具有3.57nm厚度的超薄纳米层,又具有高浓度的氧缺陷和氮掺杂量。这与紫外、TPR、XPS等分析结果相一致。

关键词： 遗态材料   功能材料   生物结构   复合材料  

摘要： 经过自然界的长期选择和进化,很多生物形成了多维、分级的精细结构,从而辅助其实现一种或数种功能目的。这为新型功能材料的设计和开发提供了很好的借鉴,因此近些年来研究并模仿生物结构,已成为新材料研究的主要热点之一。然而,由于多数生物结构非常精细复杂,因此直接采用传统的人工方法很难制备出类似的结构。遗态方法通过直接以生物结构为模板,选择合适的物理化学方法,在保持模板精细分级结构的同时,将框架成分转化为目标材质,可制备具有生物精细分级结构的新型功能材料。文章从遗态的思路和原理出发,给出了几种常用的制备方法,并介绍了近几年来基于几种典型生物结构的遗态材料研究进展,以及在光响应、光催化、电磁波吸收、气敏等相关领域的功能探索。