新型核-壳介孔微球的结构调控及惰性气体选择性富集机理

High special surface area and selection enrichment ability of materials have been demanded in the field of purification and rapid monitoring for noble gases. In this project, polycarbonate core-mesoporous silica shell composite microspheres will be prepared in the presence of the emulsion of polycarbonate solution by simultaneously proceeding of sol-gel process of inorganic precursor and their self-assembly on the surface of template. Goal materials represent high selection and adsorption rate for noble gases, which can be attributed to two reason: firstly, mesoporous shell with large special surface area provide high adsorption rate, and second, polycarbonate with remarkable adsorption ability for gases prompt noble gases a permeating along one direction from shell to core by breaking an equilibrium of adsorption and desorption.

惰性气体及其放射性同位素的净化及快速监测要求材料具有高的比表面积及对惰性气体的选择性富集能力。本项目以聚碳酸酯溶液的乳液为模板，通过无机前驱体的溶胶-凝胶过程及在模板表面的自组装，制备以介孔二氧化硅为外壳，聚碳酸酯为内核的复合微球。大比表面积的外壳介孔材料对气体具有高的吸附速率，而对惰性气体具有超强吸附能力的聚碳酸酯则通过不断打破外壳气体的吸附-脱附平衡，导致惰性气体从外壳向内核材料进行单方向的传质过程，使微球材料对惰性气体的吸附具有高的选择性和吸附速率。

具有大比表面积的介孔微球可以提高其吸附性能，而部分极性聚合物材料则对吸附质具有高选择性。将这两种材料结合起来，制备具有聚合物内核及介孔材料外壳的核壳结构材料是实现高选择性及高吸附性能的有效方法。然而由于部分聚合物核相材料不溶于水，制备核壳结构聚合物-介孔复合材料是迄今未能解决的挑战，因此探寻这种结构吸附材料的制备方法及结构调控，并研究其构效关系是既具有科学研究意义，也具有实际应用价值的重要工作。.本项目完成了核壳结构聚碳酸酯-介孔二氧化硅复合材料的制备，开发了热熔乳液模板制备聚合物-介孔复合微球的新技术，为制备聚合物-介孔复合材料提出了方法论；明确了聚合物-介孔复合微球的结构调控手段及构效关系，提出了聚合物-介孔复合微球的吸附机理。这种核壳介孔复合微球材料对各种吸附质的平均吸附性能为单一空心介孔微球的3倍以上，达到了预期的研究目标要求。.另外，通过制备具有不同聚合物内核材料与不同介孔外壳的核壳结构微球，进一步拓展了这种材料的应用领域，不仅在吸附与分离领域，而且在同样需要大比表面积及极性内核聚合物的电化学器件领域。如聚苯胺-介孔二氧化硅复合材料、聚苯胺-介孔二氧化锰复合材料、核壳结构聚苯胺-碳纳米管复合材料、互穿结构聚丙烯-介孔二氧化硅复合材料等材料的结构调控及构效关系的研究。研究了这些导电聚合物-介孔复合微球的电化学性能，明确了具有显著协同效应的电化学组成体系，为这种材料进入电化学器件领域打下了应用基础。