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介孔二氧化硅的制备及其作为Co_3O_4纳米晶载体和模板的应用

王露

  本论文围绕介孔二氧化硅的孔径调节、形貌控制及其用于孔道内负载和制备C0_30_4纳米晶展开一系列的工作,主要内容如下: 第二章报道蛋白质高分子明胶对六方介孔二氧化硅材料的扩孔效应。正硅酸乙酯(TEOS)和非离子表面活性齐P123 (PEO20PPO69PEO20)分别被用作硅源和模板剂。结果表明:明胶的加入没有影响材料二维六方介孔结构的有序性,材料的孔径和孔容扩大率分别为(29-39)%和(5-22)%,比表面积分布在(445-590)m2.g-1之间。通过对制备溶液的紫外-可见光光谱(UV-Vis)分析,我们推测出明胶的扩孔机理:明胶通过氢键作用与P123胶束的亲水侧相结合,使模板剂胶束变大,从而提高材料的孔径。这与以往报道的其他制备体系的扩孔机理均不相同。 在第三章中,以阳离子表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)为模板剂,明胶为抑制剂,在碱性溶液中制备出介孔二氧化硅纳米球。结果发现明胶可以有效地抑制介孔二氧化硅颗粒的生长。当明胶与CTAB的质量比从0增加到1时,材料的颗粒尺寸逐渐从较宽的微米范围(0.25-0.8)μm减小到较窄的纳米范围(35-100)nm。小角X射线衍射(LAXRD)和N2吸附-脱附测试表明添加明胶前后材料的平均孔径从2 nm扩大到3.7nim。在论文中对明胶在材料制备中的作用机理进行了讨论。 在第四章中,将六水合硝酸钴负载到介孔二氧化硅MCM-41的孔道内,通过煅烧得到Co_3O_4/MCM-41-x(x表示C0_30_4与MCM-41的质量比)复合材料。材料具有较大的比表面积和一定的孔体积。将复合材料制作成超级电容器电极材料,采用循环伏安法和交流阻抗法研究其电化学性能。结果显示C0_30_4的负载量、扫描速率以及电解液浓度对材料的电化学性能均可产生显著的影响。复合材料具有良好的电化学特性,包括高起始频率、低电荷传递电阻Rct和内阻Ri。电化学研究发现:当x=1.6时,电极比电容高达到308 F·g-1,经过500次连续的循环伏安测试后比电容保留率高达91.3%。 在第五章中,以MCM-41为模板制备出具有介孔结构的C0_30_4陨石坑状微球(C0_30_4craterlike microspheres, Co_3O_4-CM)。材料的比表面积为60 m2·g-1,孔径集中分布在3.7 nm附近。电化学测试发现Co_3O_4-CM具有较高的起始频率、较小的Ri和Rct,比电容高达102 F明·g-1。经过500次连续的循环伏安测试后比电容保留率为74%。这种形貌的介孔C0_30_4是第一次被制备出来并用于超级电容器电极材料方面的研究。 在第六章中,以带状SBA-15为模板制备出形貌规则、大小均一的C0_30_4纳米线。研究表明在6 mo1·L-1的KOH电解液中,材料的Rct、Ri最低,起始频率和比电容最高。纳米线的比电容最高可达373 F·g-1,经过500次连续的循环伏安测试后比电容保留率高达90%。 以棒状SBA-15为模板制备具有二维六方有序介孔结构的Co_30_4纳米棒。材料平均孔径为6.3 nm。颗粒长约(15.50)nm,宽约(5-6)nm,远小于已报道的用热分解法制备的C0_30_4纳米棒。电化学研究表明在2 mo1·L-1的KOH溶液中,材料的Rct和Ri分别为1.74Ω和0.17Ω,比电容高达321 F·g-1。经过500次连续的循环伏安测试后,比电容保留率高达88%。C0_30_4纳米线和纳米棒均是优良的超级电容器电极材料。 在第七章中,考察了MCM-41、Co_3O_4/MCM41-x、Co_3O_4-CM和Co_30_4纳米线对环己烷氧化反应的选择性催化性能。研究表明:在没有催化剂存在下,主要产物为环己酮;当MCM-41作催化剂时,主要产物为环己醇;而当Co_3O_4/MCM-41-x作催化剂时,环己酮的选择性随着C0_30_4负载量的增加而提高;C0_30_4纳米线和Co_3O_4-CM对氧化产物的选择性完全不同。前者对环己酮的选择性高达97.5%,而后者对环己醇的选择性则高达79.3%。在论文中对环己烷氧化反应机理和催化剂的作用机理进行了分析。……   
[关键词]:介孔;二氧化硅;明胶;Co_3O_4;载体;模板;纳米晶;电化学;环己烷氧化
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:南京理工大学2011年