天津大學(xué)碩士研究生選題報(bào)告

1、1、擬選課題國內(nèi)、外的研究動(dòng)態(tài)、水平、存在問題，并附主要參考文獻(xiàn)：我國高嶺土資源以成因類型齊全、儲(chǔ)量豐富、質(zhì)地優(yōu)良聞名于世，高嶺土是 一種天然礦產(chǎn)，長期以來一直廣泛應(yīng)用于輕工、化工、建材、石油、醫(yī)藥、衛(wèi)生 等領(lǐng)域。目前，多數(shù)高嶺土企業(yè)的現(xiàn)狀是：規(guī)模較小、產(chǎn)量不大、產(chǎn)品質(zhì)量不高， 與美國、英國、巴西等國相比存在較大的差距。國內(nèi)高嶺土的深加工水平與經(jīng)濟(jì) 效益與國際先進(jìn)水平差距還很大，因此，開發(fā)高嶺土深加工工藝顯得尤為重要。功能材料的性質(zhì)很大程度上取決于他們的微觀結(jié)構(gòu)，自從日本科學(xué)家S.Iijima教授于1991年發(fā)現(xiàn)碳納米管（CNT）以來，一維納米結(jié)構(gòu)材料更是引起了人 們的廣泛關(guān)注。納米粒子因其尺

2、寸達(dá)到分子、原子數(shù)量級(jí)，因而具有許多新的特 性，如：量子尺寸效應(yīng)、表面與界面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)等。其中，納米管材料已 在電子、光學(xué)催化、能量的存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)運(yùn)等領(lǐng)域展現(xiàn)出了良好的應(yīng)用前景。我們知 道，單根納米線或納米管在性能上各自具有特點(diǎn)， 但就單根而言，其性能不足以 具有明顯的規(guī)律性，也不具備投入生產(chǎn)的實(shí)際價(jià)值。故很多研究者正努力尋求納 米管或納米線能投入到實(shí)際生產(chǎn)中去的有效排列方式，在眾多的排列方式中，陣 列排列由于其獨(dú)特的排列方式越來越吸引人們的興趣。陣列具有明顯的平行分 布，各根納米管能有效的集中在一起，同時(shí)對(duì)外界的激發(fā)或作用產(chǎn)生效應(yīng)， 并且 整體效應(yīng)趨于一致，相互增強(qiáng)，從而具有比普通納米管更

3、優(yōu)越的性質(zhì)， 廣泛應(yīng)用 于激光器、傳感器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、能量存儲(chǔ)、智能仿生等領(lǐng)域。目前，國際上對(duì)高 嶺土納米管制備的研究已相對(duì)成熟，將高嶺土納米管做成陣列對(duì)充分發(fā)揮納米管 的優(yōu)勢(shì)及開發(fā)高嶺土深加工工藝具有重大的意義。目前，氧化物納米陣列材料的制備方法主要有兩種，硬模版法和軟模板法， 其中硬模版法是最常用的一種，通常采用定向多孔模板，然后通過化學(xué)沉積，最 后除去模板來完成，人們使用最多的是陽極氧化鋁模板法。 氧化鋁模板法具有以 下特點(diǎn)：（1）實(shí)用性廣，可以制備各種材料的陣列；（2）易調(diào)節(jié)性，可以通過改 變氧化鋁模板的孔徑大小來調(diào)節(jié)所制備的納米陣列的直徑；（3）分散性好，由于氧化鋁模板的孔徑大小基本一

4、致，故所制備出的納米材料也同樣具有尺寸相同、 單分散的納米結(jié)構(gòu)；（4）高有序性，使用模板法可以制備出高度有序的納米陣列 體系。軟模板法是因?yàn)椴捎昧吮砻婊钚詣┑目椎溃粗锌紫?，在表面活性劑提供?孔道中，對(duì)納米材料的生長進(jìn)行一定的導(dǎo)向作用，故能獲得一定形狀的納米材料， 該方法的優(yōu)點(diǎn)在于操作簡(jiǎn)單、成本較低、條件溫和等，并且能夠充分使得反應(yīng)物 在分子孔道內(nèi)進(jìn)行，達(dá)到分子級(jí)水平的組合，但是該方法也有一定的缺陷，主要 應(yīng)為實(shí)驗(yàn)條件難以控制，合成的納米級(jí)材料的長徑比與表面活性劑的濃度以及微 乳液的分子尺寸有關(guān)系，所以導(dǎo)致合成理想的易控制的納米材料存在較大的難 度，尤其是對(duì)于合成納米級(jí)的陣列材料而言，仍然存

5、在著較大的挑戰(zhàn)。因此，對(duì) 于制備納米材料或納米陣列材料，目前使用最多最廣的方法仍然是多空氧化鋁模 板法。模板法制備納米材料的工作始于1970年，GE.Possin等人利用高能離子轟擊 云母形成的孔隙中，制備出直徑只有40nm的金屬線，W.D.Williams等人在此基礎(chǔ)上通過部分改進(jìn)，成功制備出直徑更小的Ag線。2001年美國科學(xué)家Grimes首 次利用電化學(xué)陽極氧化的方法制備了TiO2納米陣列材料，引起了人們的極大關(guān)注。此后，Hsu等以(NH4)2TiF6為沉積液，H3BO3為氟離子消耗劑，在 AAO模 板的孔道中沉積出孔徑為200nm的TiO2納米管陣列；Yamanaka等則通過TiF62

6、 -與AAO模板的反應(yīng)，原位沉積出TiO2納米管陣列；蔣武鋒等為了克服AAO模 板質(zhì)脆易破、強(qiáng)度低、不利于后續(xù)操作的缺陷，以保留有鋁基的AAO膜為模板， 也成功制備出TiO2納米管陣列。劉桂林等以多孔陽極氧化法為模板，并結(jié)合減壓抽濾法制備了 DyZO3納米管陣列，并對(duì)其磁性能和熒光性能進(jìn)行研究。本課題首次嘗試用陽極氧化鋁模板法將高嶺土納米管做成陣列，然后對(duì)高嶺士納米管陣列進(jìn)行改性，探究其是否有一些特殊的性能。主要參考文獻(xiàn)：1 Grimes, C. A. Synthesis and application of highly ordered arrays of TiO2nanotubes J.J

7、. Mater. Chem. 2007, 17(15): 1451 -1457.2 Hoyer, P. Formation of a Titanium Dioxide Nanotube Array J. Langmuir, 1996,12(6):1411 T413.3 Michailowski, A.; Al-Mawlawi, D.; Cheng, G. S.; Moskovits, M. Highly regular anatasenanotubule arrays fabricated in porous anodic templates J. Chem. Phys.Lett., 2001

8、,349(1-2):1 -5.4 Sui, Y. C.; Cui, B. Z.; Mart nez, L.; Perez, R.; Sellmyer, D. J. Pore structure, barrier layer topography and matrix alumina structure of porous anodic alumina film J. Thin Solid Films, 2002,406(1-2): 64 -69.5 Mei,Y. F.; Wu, X. L.; Shao, X. F.; Huang, G. S.; Siu, G. G. Formation mec

9、hanism of alumina nanotube array J. Phys. Lett. A, 2003,309(1-2): 109 T13.6 Tsuchiya, H.; Macak, J. M.; Ghicov, A.; Taveira, L.; Schmuki, P. Self-organized porous TiO2 and ZrO2 produced by anodization J. Corros. Sci., 2005, 47(12):3324-3335.7 Cai, Q. Y.; Paulose, M.; Varghese, O. K.; Grimes, C. A. T

10、he effect of electrolyte composition on the fabrication of self-organized titanium oxide nanotube arrays by anodic oxidation J. J. Mater. Res., 2005, 20 (1): 230 235.8 Yin, Y. X.; Jin, Z. G.; Hou, F. Enhanced solar water-splitting efficiency using core/sheath heterostructure CdS/TiO2nanotube arrays

11、J. Nanotechnology,2007, 18(49):4956089孫秀玉，徐法強(qiáng)，李宗木，等.陽極氧化鋁模板的結(jié)構(gòu)和性能表征及形成機(jī)理J.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006, 36(4): 432 435.10黃炎，曾虹燕，屈葉青.納米陽極氧化鋁模板膜孔可控生長規(guī)律J.硅酸鹽學(xué)報(bào)，2009,37(2) : 198-202.11 XinWang,Gao -RongHan.Fabrieation and eharaeterization of anodiealuminum oxideJ. Mieroeleetronic Engineering,2003,66:166 170.12 Yoshi

12、yuki Kuroda,Kazuyuki Ito.One-Step Exfoliation of Kaolinites and Their Transformation into Nanoscr011sJ.Langmuir2011,27(5),2028-2035.13陳興剛，桑曉明，侯桂香等.高嶺土插層改性研究進(jìn)展J.中國陶瓷，2010, 46(7):15-30.14王緒海，盧旭晨.高嶺土表面改性研究進(jìn)展J.化工礦物與加工，2004, (3): 1-1015李家毓，周興龍，雷力.我國煤系高嶺土的開發(fā)利用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)J.云南冶金，2009, 38 (1) : 23 N6.2、課題擬解決的主要技

13、術(shù)問題，在理論和應(yīng)用方面的意義，完成課題的條件(包 括個(gè)人業(yè)務(wù)水平、教研室或?qū)W科組的技術(shù)、設(shè)備條件)和擬采取的技術(shù)措施和辦 法：實(shí)現(xiàn)一維納米陣列的高效可控制備是其應(yīng)用研究的基礎(chǔ)，一維納米陣列材料的規(guī)?；煽刂苽涫钱?dāng)前納米技術(shù)最具挑戰(zhàn)性的研究課題之一。止匕外，制備出高度有序的、粒徑分布均勻的理想陽極氧化鋁模板是合成納米組裝體系材料的必要 前提。與高成本的碳納米管相比，高嶺土族納米管在成本、環(huán)境友好以及兼容性等 方面有很大的優(yōu)勢(shì)，大多數(shù)一維納米陣列在激光器、傳感器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、智能仿 生及能量存儲(chǔ)及轉(zhuǎn)化等領(lǐng)域具有廣闊的前景和獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，而且一維納米陣列作 為高性能電化學(xué)能量?jī)?chǔ)存器件的電極材料具有廣闊

14、的發(fā)展前景。若將低成本的高嶺土轉(zhuǎn)變成納米管陣列應(yīng)用于電子陶瓷材料、催化劑以及從分發(fā)揮納米管陣列所 具備的的良好的儲(chǔ)能及輸運(yùn)性能，對(duì)充分利用高嶺土及其深加工工藝具有重大的 意義。本課題的主要研究?jī)?nèi)容如下：(1)通過金屬鋁的電化學(xué)陽極氧化，在酸性的(磷酸、硫酸或草酸)電解質(zhì) 溶液中通過控制各種實(shí)驗(yàn)條件制備高度有序的陽極氧化鋁模板，研究制備工藝條件對(duì)產(chǎn)品形貌結(jié)構(gòu)及性能的影響。 重點(diǎn)研究因素包括電解液的種類及濃度、 電解 電壓、氧化時(shí)間及極板比，確定制備陽極氧化鋁模板的最優(yōu)條件。(2)以煤系高嶺土為原料，在一定的條件下結(jié)合陽極氧化鋁模板制備高度有序 的高嶺土納米管陣列。(3)對(duì)產(chǎn)品的形貌、組成、官能團(tuán)

15、、比表面積及孔徑分布等進(jìn)行表征，說明產(chǎn) 品的基本結(jié)構(gòu)特征。(4)嘗試在制備過程中進(jìn)行一些摻雜，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的改性研究。結(jié)合實(shí)驗(yàn)室條件擬采用的研究方法如下：(1)利用X射線粉末散射技術(shù)(XRD),進(jìn)行物相分析；(2)利用掃描電鏡(SEM)及透射電鏡技術(shù)(TEM),進(jìn)行形貌分析；(3)利用能量色散X射線光譜技術(shù)(EDX),進(jìn)行元素分析；(4)使用紅外光譜技術(shù)(FTIR),測(cè)定樣品的官能團(tuán)和化學(xué)鍵；(5)使用N2等溫吸附-脫附技術(shù)，測(cè)定樣品的比表面積和孔徑分布；(6)使用分光光度技術(shù)，測(cè)定樣品的分散穩(wěn)定性和吸附性。3、課題進(jìn)展計(jì)劃(包括各階段計(jì)劃完成的內(nèi)容和所需的時(shí)間等):2013年9月1日一2013年9月30日，閱讀文獻(xiàn)，完成文獻(xiàn)調(diào)研工作。2013年10月1日一2013年10月30日，做前期準(zhǔn)備工作，完成開題報(bào)告。2013年11月1日2013年1月30日，制備高嶺土納米管陣列并優(yōu)化工藝 參數(shù)，完善制備方案。2014年3月1日2014年4月30日，對(duì)高嶺土納米管進(jìn)行改性并測(cè)試其性 能，完成對(duì)數(shù)據(jù)的分析處理。2014年5月1日2014年5月30日，完成畢業(yè)論文的撰寫工作。4、導(dǎo)師對(duì)碩