聚集形态可控的镍仿生结构设计及控制机理研究

For designing the biomorphic materials with array structure, the biotemplating is one of the excellent methods, but resulting in the hard-controllable structure and single function for the final materials due to the inevitable high-temperature processing. To solve this problem, in this project, the templates with different three-dimensional and surface structures will be prepared from abaca fiber bundles with high strength and unidirectional porous by chemical treatment. Based on these templates, the nickel-tube arrays will be prepared using all-through liquid-phase synthesis in physical field. Sequently, the theoretical simulation and analytical techniques will be applied to optimize the controlling methods to achieve the combination of controllable configurations, good mechanical, electrical conduction and catalytic properties in the biomimic materials. The controlling mechanism of the physico-chemical structure of abaca fiber bundle will be studied, and we will also investigate the dynamics law of the growth of nickel nano-crystalline and the formation of bionic structure based on the fiber templates, and then solve the scientific and technical problems existed in the preparation process of bionic structure. The relationships between mechanical, electrical-conduction, catalytic performance properties and the micro-structure of biomorphic materials will be investigated. Finally, we will summarize the mechanism of inducing and controlling the nickel bionic structure in the general. This will be useful for the designing and preparing the multifunctional biomorphic materials and with significant value of theory and application.

针对生物模板制备仿生结构过程中结构难以调控以及功能单一的问题，本项目结合前期研究成果，通过化学溶液对不同尺寸的高强度定向多孔蕉麻纤维束进行处理，获得不同立体及表面结构的生物模板，采用物理场辅助全程液相合成的方法制备出微纳米管阵列式的镍仿生结构，并通过理论模拟及现代分析技术优化仿生结构的控制工艺，使镍的仿生结构具有聚集形态可调控的，力学、导电及催化性能优越的特点。结合相关理论及技术，研究纤维束模板物理及化学结构的控制机理，揭示模板多维结构空间中镍纳米薄膜晶体生长与仿生结构形成的动力学规律，解决镍仿生结构构筑过程的关键科学问题及技术难题；构建镍仿生结构的微观结构与力学、导电及催化性能间的构效关系，总结镍仿生结构的多向诱导及反馈调控机制；为设计和制备具有复杂结构和多功能的仿生材料开辟出新的路线，具有重要的理论及实际应用价值。

本项目在三年执行期内，以项目研究计划为依据，开展了多方面的研究工作，获得了基于全程液相反应的可控聚集形态蕉麻纤维模板及镍仿生结构的制备方法及控制机理。取得了较为丰硕的项目研究成果：形成了8篇论文的学术成果（其中6篇已发表，5篇为SCI期刊收录论文，皆为标注基金项目论文）；申请了与项目相关的国家发明专利7项（其中1项已在项目执行期内授权）；培养了7名硕士研究生（其中4名已毕业），圆满完成项目规定的研究任务及研究目标。.根据纤维素基植物纤维的成分特点，经过文献调研，尝试了四种不同化学及物理方法处理蕉麻纤维，最终确定了将稀硫酸处理/醋酸亚氯酸钠处理或醋酸双氧水处理与稀硫酸处理相结合的方法，获得了分散态和聚集态蕉麻纤维模板，同时又优化了细胞腔结构，获得了更加复杂的多级结构，为控制包括蕉麻纤维在内的麻纤维甚至植物纤维的形貌结构控制提供了实验数据支撑；研究了不同聚集形态的蕉麻纤维表面Ni-B及Ni-P合金纳米颗粒的化学沉积，通过调控制备条件，在蕉麻纤维模板表面得到了均匀分布的并遗传模板结构的镍合金薄膜，形成可以较好复制模板结构的镍仿生结构，为研究仿生结构的性能提供了坚实的基础；分析了表面结构及沉积条件对镍合金薄膜的组织结构的影响规律，并总结了模板与合金薄膜间的作用机理及合金薄膜的形成机制。并将此部分成果应用于剑麻纤维及纳米纤维材料的多级结构上，制备得到麻纤维基负载型催化材料。将具有不同聚集形态的镍仿生结构（包括蕉麻纤维、剑麻纤维及纳米纤维膜模板）作为负载型催化剂对对硝基酚及其他有机染料分子的催化还原性能，总结了负载型催化剂的多级结构对镍合金催化剂的催化活性、重复使用性能的影响规律，该材料表现出优异催化性能，为现有负载型催化剂的设计提供了新的途径。基于此方法设计制备了贵金属型的负载型催化剂，充分扩展了项目研究成果应用范围。项目成果已形成企业合作模式，目前麻纤维负载型镍催化剂制备应用技术已被合作企业采用。