层状结构无机-有机复合薄膜材料的组装及性能研究
无机一有机复合材料因其独特的性能受到研究者的广泛关注,在催化、传感器、光电器件、纳米生物技术、能量存储和转换等方面都具有重要的科学和实际应用价值。本论文以水滑石无机层状材料(LDHs)为主体,分别选取偶氮苯聚合物(PAZO)、酞菁钴(CoPcTs)、聚苯乙烯磺酸钠(PSS)、聚乙烯醇(PVA)为客体,制备了一系列层状结构无机一有机复合薄膜材料。采用实验手段和计算化学相结合的方法研究了LDHs基薄膜的结构；以性能为导向,实现了光致开关、电化学传感器、智能减反射薄膜的构筑,并对其性能进行了调控；在此基础上,通过合理选择构筑基元,设计并制备了具有优良力学性能的LDHs基薄膜材料。论文整体框架如下图所示。
本论文的主要研究内容如下:
1.异质结构LDHs超薄膜的构筑:实现了对M(Ⅱ)Al-NO3 LDHs(M=Co,Ni,Mg)的剥离,利用剥层后带正电的纳米片作为构筑单元,基于静电引力与PSS进行了层层组装,得到了一系列具有无机一有机超晶格有序结构的LDHs／PSS异质超薄膜。由于LDHs纳米片及有机物分子组成及功能的多样性,该异质结构薄膜材料为实现多功能集成提供了新的思路和途径。
2.LDHs／偶氮苯聚合物的组装及光致开关性能:利用LDHs纳米片与光敏分子偶氮苯进行组装,得到了光响应速率快、异构化效率高、可逆性好的光致开关薄膜材料。LDHs层板的二维各向异性及晶格定位效应对有机官能团起到了隔离、有序分散作用。偶氮苯的反式-顺式异构化及可逆回复产率分别达到了～100％及～51％。该薄膜材料可应用于光敏涂层、分子开关、光信息存储等领域。
3.基于LDHs构筑新型电化学传感器:利用LDHs纳米片固定了电化学活性物质酞菁钴,构筑了新型电化学传感器,实现了对多巴胺的检测。传感器具有较低的检测限(3.2×10-7 mol／L)、快速的响应(2s)及宽的线性范围(2.0×10-5～1.4×10-4 mol／L)。酞菁钴在LDHs纳米片层问有序排布,薄膜的长程有序结构有利于电活性物质与电极之间的快速电子转移。该无机-有机复合薄膜修饰电极在电化学分析及生物检测领域表现出良好的应用前景。
4.减反射智能涂层及减反射／防雾双功能涂层材料的构筑:利用LDHs纳米粒子和PSS作为构筑基元,组装得到LDHs／PSS多层纳米复合薄膜,经高温焙烧后获得了具有减反射性能的复合金属氧化物(MMO)薄膜材料。由于MMO薄膜自身低的折射率以及丰富的孔结构使其具备显著的可见光减反射性能。基于LDHs独特的“结构记忆效应”,薄膜的减反射性能可以通过焙烧-水合循环实现多次的擦除及再生。在此基础上进一步研究了薄膜的减反射／防雾双重功能,通过调控薄膜厚度、孔结构及表面粗糙度实现了最优的减反射／防雾性能:650 nm处的透过率达到98.7％；水滴的铺展时间为0.2 s。该薄膜材料在光伏器件、眼镜制造、内窥镜检测等领域具有应用价值。
5.高强高韧薄膜材料的设计、组装及性能调控:在生物矿化材料结构的启发下,以剪切滞后模型为指导原则,控制合成了具有特定长径比(16～22)的LDHs纳米粒子；将其与聚乙烯醇(PVA)进行组装,构筑了兼具高强度及优良韧性的无机-有机复合薄膜材料。LDHs纳米粒子合适的长径比、丰富的氢键网络及优良的界面相容性使该薄膜材料具有优良的力学性能,可应用气体阻隔、磁性薄膜及生物医学等领域。
层状结构;无机有机复合薄膜;水滑石;电化学传感器;智能涂层;机械性能
北京化工大学
博士
化学工程与技术
段雪
2011
中文
O484.1;TB332
141
2011-08-24（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）