Janus介孔材料的可控制备及应用

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介孔材料以其有序度高、比表面积大、孔径可调等优异特性引起了材料界的广泛关注,特别是具有特殊微观结构和性能的介孔Janus材料已经成为材料领域中重要的研究方向。但目前关于Janus胶体的制备和应用的研究大多集中在Janus粒子,关于形状特殊的Janus片的研究还很少。介孔Janus片的化学组成和形貌都是非中心对称的,与Janus粒子相比Janus片更有利于乳液的稳定,这使得其在物质分离、生物材料、催化剂等方面具有着广泛的应用前景。但是介孔Janus材料结构的复杂性决定了其制备方法的特殊性,现有制备介孔Janus材料的方法都有很大的局限性,因此介孔Janus材料的可控制备和批量制备成为了亟待解决的问题。本论文围绕上述关键科学与技术问题制备介孔Janus片并对制备过程中的影响因素进行研究,最后在磁响应性表面活性剂对介孔材料的影响方面做出了尝试。本论文使用一种简便制备介孔Janus片的方法,即以乳液界面为软模板提供Janus环境,采用溶胶—凝胶方法,以硅烷偶联剂作为二氧化硅的前驱体,多种前驱体与特定表面活性剂在乳液界面处溶胶—凝胶的反应过程中自组装并逐渐形成二氧化硅壳层,最终形成介孔Janus片。本论文首次研究了介孔Janus片制备过程中的油水比、硅烷偶联剂、表面活性剂和溶剂四个基本因素对介孔Janus片的孔道、厚度等形貌结构的影响。确立了合成介孔Janus片的适宜条件,即在50 g水和20 g正癸烷构成的乳液体系中,表面活性剂SDS使用1.0 g时,硅烷偶联剂的量TEOS为0.4 g、APTMS为0.08 g、PTES为0.11 g;表面活性剂CTAB使用0.5 g时,硅烷偶联剂的量TEOS为1.0 g、APTMS为0.4 g。最终得到了形貌结构较为理想的介孔Janus片,其厚度最小仅为7 nm,比表面积可达495 m2/g,平均孔径可达9.8 nm。本论文使用一种表面活性剂和三氯化铁合成了磁响应性表面活性剂,证明了该表面活性剂具有一定的磁响应性。以磁响应性表面活性剂为模板剂、硅烷偶联剂为二氧化硅前驱体,采用溶胶—凝胶的方法使两者自组装并最终形成介孔材料,在磁场作用下得到的介孔材料的孔道发生了较大变化。证明使用磁响应性表面活性剂作为造孔剂在制备介孔材料的过程中产生磁响应性(因外加磁场而发生位置或状态变化)进而改变介孔材料上孔道的结构,这一方法是可行的。
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