磁性铁氧体@类普鲁士蓝核壳结构纳米复合材料的自模板法合成及性能研究

Ferrite @ Prussian Blue analogues (PBA) core-shell(including yolk-shell) nanocomposites have shown great promises in applications such as enviornmental protection, energy storage as well as biomedicine owing to their unique structures and combined properties. We aim to develop a "self-template" method to prepare ferrite@PBA core-shell nanocomposites.Ferrite particles serve as both template and reactant. The PBAs grow on the surface of ferrites by slowly consuming the transition metal ions of ferrites. By using ferrites with different shapes and sizes, core-shell materials with various shapes and sizes can be obtained.Furthermore, yolk-shell materials can be prepared by applying acid etching. We will clarify the influence of synthetic conditions on the structure of the obtained composites and the formation mechanism,and understand the relationship between the nanostructures and properties of mateirals.The ferrite@PBA core-shell(including yolk-shell) nanocomposites will be utilized for removal of toxic metal ions and organic pollutants from water. We are hoping to establish a general method to prepare PBA based core-shell (including yolk-shell) nanocomposites. A large quantities of novel core-shell and yolk-shell nanocomposites will be obtained. The relationships among structure-property-application of these kinds of materials will be clarified.

磁性铁氧体@类普鲁士蓝（PBA）核壳结构（包括yolk-shell结构）纳米材料因其独特的结构及复合性能，使其在环境，能源和生物医学等领域有重要的应用前景。本项目拟通过自模板的方法，以不同形貌和粒径的磁性铁氧体为模板兼反应物，使PBA异相生长在其表面，构成一系列不同形貌的核壳结构磁性铁氧体@ PBA纳米材料；通过进一步的刻蚀得到yolk-shell结构材料。研究各种反应参数对核壳结构和yolk-shell结构磁性铁氧体@PBA形貌及性能的影响，掌握制备条件对产物结构的影响规律与复合材料的形成机理，探讨复合材料结构与性能的关系。研究此类材料吸附有害金属离子与降解有机污染物的能力。通过本项目的研究，可望建立一种制备核壳结构和yolk-shell结构磁性铁氧体@PBA纳米复合材料的通用方法，制备出一系列新型的核壳结构和yolk-shell材料，得到该类纳米复合材料的结构-性质-应用的关系。

普鲁士蓝类（PBA）配合物是一类具有三维网络结构的功能材料。为了丰富其功能，拓展其应用，需要将PBA与其它功能材料相复合。受PBA的结晶习性与化学组成的影响，核壳结构或yolk-shell的PBA复合材料的合成可控性较差，难以与金属氧化物等材料复合。本项目克服了内核与PBA晶格难以匹配的困难，实现了以金属氧化物（尤其是铁氧化物为核，PBA为壳的复合结构合成。本项目基于金属氧化物在酸性溶液中可释放金属离子的特性，使PBA的配体与金属离子在金属氧化物颗粒的周围配位连接，并沉积在金属氧化物颗粒表面，形成复合结构。通过调节pH值，可控制金属离子的释放速度，进而影响PBA的结晶速率。在弱酸环境下，合成出核壳结构复合材料；在强酸条件下制备出yolk－shell结构的复合材料。基于此方法，选用不同组成、尺寸、形貌的单分散金属氧化物颗粒为核，合成出成份、尺寸和形貌可控的金属氧化物@PBA复合颗粒。这些复合材料兼具了内核金属氧化物与外壳PBA的优良特性，呈现出相耦合的物理化学性质。例如，以磁性铁氧体为核、PBA为壳的颗粒既能在交变外磁场作用下产生磁热效应，又可在红外激光照射下发生光热作用。进一步在PBA壳层构筑介孔，形成yolk－shell结构以后，还成功在PBA壳层内负载上顺铂分子。磁热、光热与药物传递三种功能的集合，使铁氧体@PBA复合材料成为具有潜力的多功能抗癌纳米药物。将铁氧体与PBA的复合还解决了铯离子去除剂的收集问题。具有多孔PBA壳层的复合材料可在10分钟内实现200毫克／1克的铯离子吸附效率，而铁氧体的存在，使得吸附铯离子后的颗粒可以在外磁场作用下富集，克服了今后在实际应用中吸附放射性铯离子后的颗粒收集难题。本项目进一步将PBA颗粒与双网络水凝胶复合，利用双网络水凝胶的阳离子交换特性，将复合材料吸附铯离子的能力进一步提高至5分钟内完成400毫克／1克的吸附，并且实现了流动式铯离子捕获。此外，借鉴核壳结构合成的思路，本项目在金属氧化物表面完成了高质量PBA薄膜的生长，获得了压力敏感的薄膜器件。