基于取向冷凍技術設計制備的宏觀三維有序納米組裝體及性能研究.pdf

1、伴隨著納米科技的迅速發(fā)展，各種高性能納米材料不斷問世，其潛在應用價值已經(jīng)滲透到各行各業(yè)中。然而，單一的納米結構單元并不能滿足實際應用的迫切需求。將其組裝成具有多級有序結構的宏觀三維納米組裝體材料，成為進一步推動其實際應用的必要途徑。目前，雖然國內外在宏觀三維納米組裝體的構筑和應用方面取得了一系列進展，但在宏觀尺度上對其微納結構進行精確調控，仍然處于隨機探索階段，實現(xiàn)宏觀三維納米組裝體的實際推廣應用還面臨著很多關鍵科學問題和技術難題。發(fā)展

2、便捷、高效、可控的宏觀三維組裝方法將是解決各領域對新型宏觀三維納米組裝體材料迫切需求的重要策略之一，近年來受到研究人員的廣泛關注。本論文著眼于這一點，首先綜述了宏觀三維納米組裝體材料在各領域中的應用研究進展，重點闡述了目前用于制備宏觀三維納米組裝體材料的各種組裝方法，同時重點闡述了取向冷凍技術的研究進展以及其在材料結構調控方面的先進技術優(yōu)勢。基于此，我們旨通過進一步探索和挖掘基于取向冷凍技術的新型宏觀三維組裝方法，對不同納米結構單元在宏

3、觀尺度的三維空間進行結構的有序調控，以設計和構筑多種具有三維有序結構的新型宏觀納米組裝體材料，并滿足相關領域實際應用需求的目標。所取得主要研究結果如下:
　　1.探究了一種可通用于多種納米結構單元的簡單宏觀三維組裝方法。通過單向冷凍方法首次制備出一種具有取向有序多孔結構的宏觀三維殼聚糖泡沫框架材料，然后利用該框架材料所特有形狀的可回復性、強吸水性以及對納米材料的強靜電吸附性，以其作為不同納米結構單元的支撐模板，我們實現(xiàn)了對不同維度

4、的納米結構單元（包括零維的納米顆粒、一維的納米線以及二維的納米片）的宏觀三維有序組裝。結果表明所得的三維有序結構宏觀納米組裝體不僅保留了原本支撐框架所特有的形狀記憶性能，同時被賦予相應納米結構單元所特有的功能性。
　　2.基于有序結構殼聚糖彈性框架材料，發(fā)展了一種納米催化劑固定化反應器的制備方法。在此，我們通過調控取向冷凍參數(shù)獲得了幾種具有不同孔徑尺寸的載體框架，并系統(tǒng)地研究了框架孔徑尺寸對其彈性回復速度和最終所得固定化反應器催化

5、效率的影響。結果表明，基于該柔性宏觀三維有序框架結構的納米催化劑固定化反應器實現(xiàn)了良好的連續(xù)液相催化效果和光催化降解有機染料效果。該納米催化劑載體材料由于其獨特的取向多孔結構、強吸水回彈性能以及對多種納米催化劑的通用性載附，使其相比傳統(tǒng)納米催化劑載體材料具有諸多優(yōu)勢。
　　3.發(fā)展了一種適用于一維納米線的宏觀三維有序組裝方法，利用單向冷凍技術在沒有使用任何聚合物膠黏劑的情況下成功地將一維銀納米線組裝成了具有三維有序多級結構的可自支

6、撐宏觀組裝體材料。該組裝方法不僅操作簡單，可以大量制備，而且適用于其他一維納米結構單元材料。所制備的銀納米線三維宏觀組裝體不僅具有優(yōu)越的導電性，同時具有獨特的微觀有序多級結構，且可以通過調節(jié)冷凍參數(shù)對其微觀結構進行精確調控。基于此，我們進一步在其三維網(wǎng)絡中灌注聚二甲基硅氧烷(PDMS)彈性體，并成功獲得了可拉伸的彈性導體材料。各項測試結果表面，這種基于三維有序結構銀納米線宏觀組裝體的彈性導體材料相比其他二維結構或三維結構的彈性導體材料具

7、有突出的優(yōu)勢。
　　4.發(fā)展了新型的雙向冷凍方法，通過聯(lián)合高溫碳化過程成功制備了基于碳/石墨烯復合材料的層狀多拱結構宏觀組裝體材料。由于該組裝體中的微拱結構起到基本彈性元件的作用，并且取向一致，所以盡管所得組裝體是由脆性碳組分構成，其仍然具有卓越的可壓縮性能和回彈性能。研究表明，該彈性組裝體可以像彈簧一樣以大于580 mm/s的速度將小金屬球彈回，同時，即使在90％的大壓縮應變情況下仍可完全回復原狀，并且在每一個壓縮循環(huán)中只伴隨有