关键词： 桉树遗态   Fe2O3-Fe3O4   C复合材料   制备   吸附   锑  

摘要： 以桉树为植物模板,通过氨水浸提、硝酸铁浸渍和马弗炉有氧焙烧等处理制备获取桉树遗态Fe2O3-Fe3O4/C复合材料,借助扫描电镜和X射线衍射分析仪等手段对其进行了结构和性质分析;通过吸附试验研究了初始Sb(Ⅲ)含量、pH、吸附剂投加量以及吸附剂粒径对吸附效果的影响。结果表明,获取的复合材料很好地保留了桉树自身固有的植物本征结构,且Fe2O3和Fe3O4是其主要组成部分,呈现出其对水中Sb(Ⅲ)的良好吸附性能;随着Sb(Ⅲ)初始含量的增加,桉树遗态Fe2O3-Fe3O4/C复合材料对Sb(Ⅲ)的吸附量增大;温度对吸附除Sb(Ⅲ)没有明显影响;初始溶液pH为8时,Sb(Ⅲ)的去除效果最好;适宜吸附剂投加量为0.5 g/50 mL;吸附剂粒径小利于吸附率的提高,但块状材料也显示出良好的吸附性能。

关键词： 桉树遗态Fe2O3   Fe3O4   C复合材料   吸附   Sb(Ⅲ)   动力学   热力学  

摘要： 以制备获得的桉树遗态Fe2O3/Fe3O4/C复合材料为吸附剂,研究了Sb(Ⅲ )不同初始质量浓度和不同温度下,其对模拟废水中Sb(Ⅲ)的静态吸附特征。结果表明,初始质量浓度为5、10和50 mg/L Sb(Ⅲ)的吸附动力学曲线有相同的变化趋势,但吸附平衡时间随初始浓度的增大而提高;4种动力学模型的拟合和回归分析显示,遗态材料对Sb(Ⅲ)的吸附动力学特征很好地遵循准2级动力学模型(R2>0.99);在25、35、45℃试验条件下,遗态材料对Sb(Ⅲ)的吸附量均随着溶液平衡浓度的增加而增加,但随温度升高呈下降趋势,遗态材料对Sb(Ⅲ)的等温吸附更适合用Freundlich等温模型拟合(R2>0.97)。

关键词： 遗态材料   纳米材料   蝴蝶翅膀   光催化性能   磁性能  

摘要： 材料是人类文明的重要物质基础，对社会的进步具有重要的影响。材料的性能除了与其化学成分有关，也在很大程度上取决于其结构。成份相同结构不同的材料，表现出的功能特性也有很大不同。所以，当前材料领域研究的热点之一就是材料精细结构与其功能特性间的耦合效应。自然界中一些生物的精细结构和优异功能特性给人们在制造和改善材料的过程中带来了很多灵感和启发。自然界的生物经过亿万年的进化，形成了各种各样的微观形貌及结构。生物体的分级结构与构成生物体的物质，具有结构功能一体化。 蝴蝶的翅膀具有精细的分级结构，形成鳞片的甲壳素的折射率与空气的折射率不同，入射光在蝴蝶翅膀分级结构中会产生各种各样的光学响应，如散射、衍射等。各种各样的光学响应，使得蝴蝶具有绚丽多彩的颜色。此外，对光的捕捉能力是某些蝴蝶的另一功能特性。虽然蝴蝶翅膀的成分较为简单，但可实现求偶、捕食等各种功能，这要归功于其结构的千变万化。蝴蝶的精细结构不仅对其本身具有重要的意义，也给材料的设计研究提供了新的启迪与指导。用具有各种物理化学性质的其它物质来替换蝴蝶的原始材质，有望设计制备出具有良好功能特性的新材料。 已有的研究主要集中在二元氧化物的制备及其光学性能研究，有关三元氧化物，特别是磁电氧化物的研究鲜有报道。本研究将遗态材料的思想应用于制备具有生物分级结构的磁电材料，为磁电材料的制备提供了新的方法和思路。以两种不同种类的蝴蝶为原始模板，研究了铁酸铋-钛酸铋钠和铁酸锌功能材料的制备工艺及功能特性。主要研究内容和结果如下： 1）针对铁酸铋稳定温度范围窄，容易形成杂相的特点，掺入钛酸铋钠形成固溶体，通过对成分、烧结工艺的探索，成功制备了纯相铁酸铋-钛酸铋钠粉末，并研究了其光催化性能和磁性能。钛酸铋钠的引入能有效抑制杂质相的形成，纯相铁酸铋-钛酸铋钠粉末的禁带宽度为2.08eV，并具有良好的可见光光催化性能和室温铁磁性能。 2）选择两种不同的蝴蝶：大紫蛱蝶和巴黎翠凤蝶作为原始模板，其中大紫蛱蝶具有周期性类光子晶体结构，巴黎翠凤蝶具有准周期性的准蜂窝状结构。本文研究制备铁酸盐遗态材料的方法，主要是改善制备工艺参数，并采用XRD、FESEM等表征方法，研究铁酸盐遗态材料的晶型、形貌、微观结构等信息，成功获得了具有蝴蝶鳞片精细结构的铁酸盐功能材料。 3）采用溶胶-凝胶然后烧结的方法，成功制备了具有大紫蛱蝶鳞片结构的铁酸铋-钛酸铋钠复制品，并研究了光催化性能和磁性能，结果表明与无模板结构的铁酸铋-钛酸铋钠粉末相比，该复制品具有良好的铁磁性和更高效的光催化活性。 4）采用溶胶-凝胶然后烧结的方法，成功制备了具有大紫蛱蝶和巴黎翠凤蝶鳞片结构的铁酸锌复制品，并研究了电化学性能和磁性能，结果表明与无模板结构的铁酸锌粉末相比，这两种复制品的比电容增大了约1倍，磁性能也有明显不同。

关键词： 烟雾剂   遗态材料   消光   红外  

摘要： 通过对消光遗态功能复合材料进行设计,选择茭白叶为模板,制备出了既有天然多维度的微孔结构,同时又有人工耦合金属粒子网络互联结构的Cu/C体遗态材料。研究表明,Cu/C体遗态材料有良好的红外消光特性,这也说明,引入不同的高活性金属离子,选择合适的制备工艺,遗态功能复合材料有望成为潜在的新型多频谱烟幕干扰材料。

关键词： 氧化铈   微纳米分级多孔   遗态材料   生物模板   催化活性  

摘要： 氧化铈是一种重要的稀土氧化物,在汽车尾气三效催化剂、固体氧化物燃料电池、有机废水净化处理催化剂以及储氧材料等领域有着巨大的应用潜力。氧化铈的物理和化学性能极大地依赖于本身的微观结构,如尺度、形貌、比表面积等,具有微纳米分级多孔结构的氧化铈材料不仅能很好的满足高效吸附材料对自身微观结构的要求,同时也可以通过增大比表面积来增加表面催化活性位点,从而提高氧化铈的催化性能,因此研究制备此类材料具有重要的现实意义。 生物模板法是一种利用天然生物结构为基础来合成具有微纳米分级多孔氧化物生物遗态材料的简单方法。本文采用生物模板法,利用自然界普遍存在且廉价易得的树叶、油菜花粉、三叶草叶茎、鸡蛋膜、月季花瓣、真菌菌丝体等作为模板,通过铈源对生物模板细胞膜实体微米孔和纳米细胞孔虚体结构的双重有效复制,构建了微米孔与纳米孔结构匹配的分级多孔氧化铈生物遗态材料。在此基础上研究了利用不同模板制备微纳米分级多孔氧化铈生物遗态材料的反应过程和合成机理,并探讨了材料结构和形貌对氧化铈催化性能的影响规律。主要研究内容和成果概况如下： 1.以竹叶为模板,硝酸铈为铈源,通过添加沉淀剂及控制模板与铈盐质量比,优化反应参数后合成了微纳米分级多孔氧化铈遗态材料,材料具有微米级大孔和纳米级小孔(1-4nm)的分级仿生结构,且由面心立方萤石晶系纳米颗粒构建而成,颗粒直径为5-7nm,材料比表面积约为162m2/g,在反应过程中铈离子取代镁离子与生物大分子结合,从而实现了对竹叶内部纳米级孔的复制。在提出反应机理的基础上,指导了以枫叶为模板的氧化铈仿生遗态材料的合成,材料保持了枫叶的原有形貌,具有微米级的大孔和2-4nm的小孔,比表面积约为64.4m2/g。 2.以油菜花粉为模板制备微纳米分级多孔氧化铈中空微球材料,考察了模板与铈源的质量比以及络合剂HMT的加入量对氧化铈材料成型的影响。以最优工艺合成的材料中空直径约为10gm,富含直径2-4nm的小孔,比表面积约为168m2/g。通过煅烧生物氮可掺杂入氧化铈晶格,氮的掺杂导致晶格畸变,从而有效降低材料的禁带宽度,促使材料的吸收光范围向可见光发生偏移。 3.采用三叶草叶茎为模板制备出富含纳米孔的氧化铈微米管,分析模板预处理方式、叶茎与硝酸铈的质量比和水热温度等对产物结构的影响,阐明了仿生合成反应机理。当叶茎与硝酸铈的质量比过高或过低时,或水热温度过高或高低时,都无法实现铈盐前驱体对叶茎模板的复制,在最佳工艺条件下合成的产物具有纤维管状的仿生多孔结构,其长度为数十至数百微米、内径为数十纳米至十多微米,且富含直径集中在15～40nm的小孔,比表面积约为103m2/g。 4.以鸡蛋膜为模板合成了三维网状结构氧化铈微米管,比表面积约为40m2/g,其中空直径大约500nm,管壁厚度约为250nm,管壁上富含由直径6nm氧化铈颗粒堆积而成的1-5nm小孔,探讨了铈离子替代钙离子被生物蛋白吸收,通过生物矿化形成三维网状够微纳米分级多孔氧化铈微米管的合成机理。 5.以月季花瓣为模板合成了鳞片状结构氧化铈材料,通过观察不同煅烧温度下合成材料的微观形貌,确定了最优的反应工艺。合成的氧化铈超薄纳米片长约400nm、宽约200nm、厚约8nm,薄片之间具有150nm宽的缝隙孔,薄片上富含1-2nm和4-5nm的双级纳米孔道,其比表面积约为86m2/g。 6.以真菌菌丝为模板,考察了煅烧温度以及pH值对氧化铈材料成型的影响,确定了最优的反应工艺,合成材料为6nm左右的纳米Ce02堆积而成丝状网络结构,其上分布着大量的直径约5nm的小孔,比表面积约为75m2/g。利用最佳合成工艺以微生物硅藻为模板合成了有序大孔氧化铈中空微球,其长径约为20μm,短径则为5-10μm,具有有序的条形微孔,长0.6-0.8μm,宽约0.21μm。 7.利用XPS检测样品的表面价态,发现不同结构的微纳米分级多孔氧化铈材料具有不同的三价铈离子和活性氧含量,其中以月季花瓣为模板合成的富含纳米孔的氧化铈纳米薄层材料含量最高。H2-TPR的实验结论与XPS测试结果证实：具有更多三价铈离子的氧化铈材料,表面含有更多的活性氧,而微纳米分级结构和大比表面积则促进了活性氧和体相氧还原温度的降低;生物氮的自掺杂则促使低温活性氧和高温体相氧的还原峰的合并。CO催化氧化和酸性品红催化脱色探针反应表明：微纳米分级多孔氧化铈生物遗态材料的催化效率优于氧化铈多孔微球和无孔氧化铈,各催化剂对CO的催化能力都随温度的升高而提高,除了比表面积的原因,另一个可能就是微纳米的分级结构起到的作用,材料表现出较好的表面吸附活性,起到从气相中捕获、储存氧的作用,为反应提供活性氧物种的作用。

关键词： 生物模板   整理工艺   SnO2/C遗态材料   显微结构   磨损率  

摘要： 以不同整理工艺处理的苎麻纤维为生物模板,酚醛树脂为黏接剂,经800℃炭化后获得三种苎麻炭模板,再经Sn(OH)4溶胶浸渗和560℃真空原位炭热还原反应制备得三种SnO2/C遗态材料试样。采用XRD和SEM技术分析了苎麻模板整理工艺对SnO2/C遗态材料物相组成和微观形貌的影响,利用自制磨耗仪对比测试了三种遗态材料试样的磨损率。结果表明:三种SnO2/C遗态材料试样在显微结构以及耐磨性能等方面存在明显差异,通过生物模板整理工艺可有效调控遗态材料的微观结构和性能。

关键词： 棉麻纤维   遗态结构   生物模板法   功能材料  

摘要： 遗态转化制备技术是以天然生物材料为模板,通过生物结构和形态的遗传、化学组分的变异处理,制备保持自然界生物材料精细结构和形貌的新型功能材料.本文归纳和分析了近年来国内外关于以天然纤维为模板制备遗态材料的研究进展,并对该领域今后的研究和发展提出了一些建议.

关键词： 多孔分级结构   氧化锡   遗态材料   花粉  

摘要： 利用生物模板(油菜花粉)自身的分级结构,以四氯化锡酒精溶液为前躯体,通过搅拌、清洗、干燥、碳化、煅烧等简单有效的处理方法制得了与油菜花粉内部结构相似的三维有序多孔结构氧化锡纳米材料。采用XRD、FESEM、HRTEM测试手段,从结构、组织和成分方面,对天然生物材料和不同煅烧温度下(300℃、400℃、500℃)所制备的氧化锡遗态材料进行了对比研究,并详细阐述了模板复制过程及生物模板在遗态材料合成过程中的作用。

关键词： 材料学   二氧化钛   复合材料   遗态材料   上海交通大学   生物模板   探索之路  

摘要： 随着社会发展和生活水平的不断提高,各行各业对材料性能的要求也越来越高。材质、结构、功能单一的传统材料已远远满足不了社会的需求,追求多组分、多结构、多功能一体化的优质材料成了材料科学的发展方向,同时也给当前的材料设计、合成

关键词： 遗态材料   单鳞片   蓝闪蝶   角分辨反射谱   各向异性   FDTD  

摘要： 当今社会信息量日益膨胀,迫切需要对目前以电子为信息载体的器件进一步集成化与微型化。然而,由于电子本身所固有的物理特性所带来的局限性,该过程遇到了越来越多的技术瓶颈,迫使人们探索除电子以外的新信息载体。1987年,Yablonovitch等首次提出了通过控制高维周期性介电体结构,可人为制造光带隙的学术思想。这类结构在空间各个方向上可禁止一定波长的电磁波在其内部传递,被称为光子晶体(Photonic Crystals)。类似电子器件中利用半导体带隙对载流子输运进行控制,光子器件中可利用光子晶体的光带隙对光子输运进行调控,在新的纳米技术、光子计算机、光子芯片等领域有广泛的应用前景。然而,光子晶体特别是三维(3D)光子晶体的制备非常困难,极大的阻碍了基础及应用研究的开展。可以对可见光及近红外光进行调控的3D光子晶体需要有亚微米尺度的3D周期性结构,在目前的科技水平下,世界范围内尚无成熟有效的方法可以制得。因此探索新的光子晶体获取手段对于深化光子晶体理论研究、拓展其潜在应用具有重要的学术价值与现实意义。 近年来研究发现,自然界物种经过亿万年的进化,在适者生存的自然法则筛选下演变出了多种多样的多尺度复杂精细结构。其中多种物种具有亚微米级的周期性结构,并表现出天然的光子晶体特征。某些蝴蝶翅膀天然呈现出具有金属光泽的蓝色,研究表明这种颜色与蝴蝶翅膀上鳞片的分级精细结构有关。蝴蝶翅膀鳞片这种结构类似于光子晶体结构,对光存在调制作用。 本课题组从2003年开始研究蝴蝶翅膀上复杂的鳞片结构。并采用先进的合成方法成功的将原始蝴蝶模板转化成为能够保持原始结构的ZnO、TiO2、ZrO2等功能氧化物材料,并率先研究其结构与性能之间的耦合效应。然而之前的研究工作主要以整块蝴蝶翅膀为研究对象,而实际上蝴蝶翅膀包含有复杂的结构,并且分别实现不同的功能。整块蝴蝶翅膀相当于一个复杂的系统,通过叠加不同结构的鳞片实现特定的功能。研究表明,蝴蝶翅膀上真正的结构和功能单元是尺寸约为00×50μm的单鳞片。因此本研究率先提出以单个蝶翅鳞片作为研究对象,并在已有的浸渍方法的基础上提出了一种新的合成方法。选用两种典型的蓝闪蝶(Morpho Didius和Morpho Menelaus)为研究对象,详细研究了其前翅背面能折射金属光泽般蓝光的蓝色鳞片(Ground scales)和透明鳞片(Cover scales)的反射、透射特性;找到了一种具有棱状周期结构所具有的、共性的光学特性,即对光的空间取向性(折光的空间各向异性);并在此基础上探讨了以单鳞片为模板的合成工艺。新工艺中采用真空预处理的方式成功的控制高温去模板过程中模板的收缩方向,从而在合成的材料中保持了原始模板的部分周期尺寸,并得到了能够保留原始模板折光空间各向异性光学性能的ZrO2、ZnO、BaTiO3等材料。本论文的主要工作和结果如下: 1.蝶翅上覆盖的单鳞片所具有鳞片结构具有折光空间各向异性,其反射特性由反射参数θ和φ决定(θ:入射光在鳞片所在平面的投影与鳞片主棱之间的夹角;φ:入射光与鳞片法线的夹角)。 2.蓝闪蝶前翅背部的ground scale,是一种非严格周期的主棱条纹结构,其主要折射蓝光区域集中在θ=90o±10o和270o±10o;偏离最强反射区10o,反射强度将降低10倍;由于这种鳞片结构不具备严格的周期尺寸,因此反射谱在θ分别为90o±10o和270o±10o的区域不具备对称性。 3.蓝闪蝶前翅背部的cover scale,是一种白色透明的鳞片,具有一种三维的光子晶体结构以及多达三种以上的周期单元,并且每种周期都具有严格的周期尺寸。当入射光在θ=180o附近时,鳞片折射蓝光,而当入射光分别在θ=90o,270o附近时,鳞片折射红光。其主周期尺寸(两主棱之间的距离),决定红光波段反射峰的位置;而主棱上面的次级“肋骨”结构则决定蓝光波段反射峰的位置。 4.通过重新设计反射、透射光谱测试装置,以研究单鳞片反射、透射特性在空间取向上的关系。研究表明,蝶翅鳞片结构的细微差别能够影响其角分辨反射光谱。通过对角分辨反射光谱的测试能够找到光与结构之间耦合关系的信息。 5.重新设计合成工艺。以单鳞片为模板制备具有鳞片原始结构的ZrO2、ZnO、BaTiO3等功能材料。研究表明控制原始模板分解温度是单鳞片薄膜合成过程中最重要的因素。对于蓝闪蝶前翅ground scale,采用先真空800℃碳化处理,后500℃马弗炉烧结的工艺能够得到结构保持完整的单鳞片薄膜;而对于蓝闪蝶前翅cover scale,热处理工艺为先真空500℃碳化处理,后500℃马弗炉烧结。