新型无机空心分级结构的构筑及其性能研究

无机空心结构一直是最有吸引力的研究热点之一，以纳米微粒为基本单元构筑无机空心分级结构是一个新的研究领域。它既具有纳米材料的特性，又具有空心结构的特点；大的内部空间提供了限域作用和隔离效果；较大的尺寸有助于分离；低的密度、高的比表面积和表面活性使它在电化学、传感器、催化等领域具有潜在的应用。本项目以无机材料为研究对象，采用自组装技术，构筑纳米微粒为基本单元的空心分级结构；系统研究自组装空心分级结构的合成特点，以及空心分级结构中的复合分级结构的合成；弄清影响其尺寸、形貌、晶粒生长的关键因素；探讨空心分级结构的形成机理，从而获得规律性的认识，建立简单、有效、大规模、可重复的合成路线；观察它们的结构、形貌与其在电学、光学、磁学等领域的应用中表现出的性能之间的关系，得出有科学价值的结论，为自组装法构筑空心分级结构的开发和应用奠定理论和技术基础。

空心分级结构，不仅具有纳米材料的所有特性，还具有空心结构内部空间大、密度小、比表面积大、表面活性高、尺寸大等优点，因而在众多领域具有广泛的应用。本项目围绕无机分级结构，特别是无机空心分级结构的可控合成和性能开展了系统的研究工作，建立了一些具有普适性的可控合成方法。如建立了溶剂热法，实现了纳米片自组装的Ni(OH)2微米管、Ni(OH)2微米棒、球状和花状Ni(OH)2等分级结构的可控合成，通过空气中的退火处理得到类似形貌的NiO，与NiO微米棒和微球相比，纳米片构筑的花状NiO分级结构对有机污染物表现出快速、高效的吸附性能和光催化活性，可用于污水处理；采用溶剂热法，制备了纳米片自组装的球状CuS分级结构，用于葡萄糖无酶催化传感器的修饰电极材料，对葡萄糖的电化学氧化还原，表现出优异的电催化活性和良好的稳定性，促进了葡萄糖无酶催化传感器的发展；通过溶液法合成了纳米片自组装的CuS微米管，发现其对活性染料具有良好的可见光催化性能，可用于污水的净化；建立了模板法，以纳米粒子为结构单元构筑了α-Fe2O3和NiO空心球，进而实现空心球的尺寸和壁厚的有效调控；采用溶剂热法和溶液法，开展了不同形貌BiVO4微纳结构的合成研究，如BiVO4微管、枝状、束状和花状分级结构。在此基础上，展开了无机空心复合分级结构的合成研究，如采用溶剂热法，合成了纳米粒子构筑的Cu2O/Cu空心微球，阐明形成机理，实现不同组分的比例调控，发现Cu2O/Cu空心微球具有优越的可见光催化降解有机污染物的能力。为了弄清材料的形貌、结构和性能之间的内在联系，还合成了其它一些分级结构和复合材料，如采用溶剂热法，合成了Cu2O立方块，大量、不规则、纳米棱柱构筑的特殊表面使Cu2O立方块对有机污染物表现出良好的可见光催化活性；采用电化学法，利用表面活性剂，实现了纳米片自组装的花状、一维纳米结构自组装的枝状和类球状粒子构筑的金属铜分级结构的可控合成，该方法简单、易操作，重复性好，并将该合成方法进行推广，得到了纳米片构筑的金属铁阵列；采用模板法，结合N2中的退火处理，合成了Fe3O4/C和Ni/C核壳结构，对有机污染物和重金属离子表现出强的吸附性能，循环利用效果好，强的磁性有助于固液分离，这些复合材料均是污水处理的理想吸附剂。已发表SCI科研论文5篇，EI检索和其它论文共4篇，已授权发明专利1项。