本文選題：金屬氧化物納米片 + 二維納米復合材料��； 參考：《中國科學院大學(中國科學院過程工程研究所)》2017年博士論文

【摘要】：能源短缺和環(huán)境污染問題的日益嚴重使得開發(fā)和使用清潔能源越來越受到重視,因此開發(fā)高活性、高選擇性的高效納米功能材料變的尤為重要。近年來二維(2D)納米材料的迅速發(fā)展為設計合成具有特殊性質和各種功能的新型納米復合材料提供了新的契機。2D金屬氧化物納米片的高度各向異性和超薄厚度使其具有特殊的電子結構和物化性質,大量暴露的表面原子也使其易于進行修飾、雜化和組裝,所獲得的復合材料不僅具有可調的物化性質,且各組分間的協(xié)同耦合作用還能產生很多奇異的表界面性質和功能。本論文的研究從金屬氧化物納米片入手,將其與石墨烯、離子液體(ILs)以及金屬元素等進行復合,制備出一系列基于過渡金屬氧化物納米片的新型多功能2D復合材料,研究組裝修飾對納米片物化性質(形貌、晶體結構、電子結構、能帶結構及酸性質等)的影響,并結合能源與環(huán)境領域重要的應用對所合成的2D復合材料進行應用評價,重點考察復合材料微結構與復合組分間協(xié)同性能之間的構效關系,主要的創(chuàng)新性工作如下:1.將2D超薄的HNb3O8納米片與石墨烯進行復合,二者交錯堆疊形成具有大量異質界面和多級孔結構的新型復合層狀多孔材料。將其應用于CO2的光催化還原,在最佳HNb3O8納米片/石墨烯復合比下,復合物對CO2光催化轉化為CO的產率比商業(yè)化的P25提高8.0倍,比HNb3O8塊體材料提高8.6倍。對材料微結構與催化性能間的構效關系研究表明,HNb3O8納米片和石墨烯之間的強相互作用使得復合材料比表面積增大、帶隙變窄、光生載流子復合速率下降、酸強度和酸量增加,從而獲得優(yōu)異的光催化性能。該工作表明合理設計和可控合成以金屬氧化物納米片為基本結構單元的新型層狀復合材料,不僅可以調控2D復合材料的物化性質和催化性能,并且有助于從分子尺度上理解納米材料微結構與性能之間的構效關系以及組分間的協(xié)同作用機制。2.通過剝離/離子交換的方法合成出一種高效的Fe摻雜HTaWO6(TaW-Fe)納米管固體酸催化劑。Fe3+與納米管之間的強相互作用能夠明顯提高納米管的結構/熱穩(wěn)定性,使納米管在高溫焙燒時可以保留大部分的酸性位點,并且這種相互作用還有利于生成新的酸性位點。這些因素協(xié)同作用使TaW-Fe納米管焙燒后仍保持很高的固體酸催化活性(苯甲醇和苯甲醚的Friedel-Crafts烷基化反應以及醋酸和乙醇的酯化反應),因此這種結構穩(wěn)定的固體酸納米管在反應條件苛刻的固體酸催化反應中具有良好的應用前景。進一步對HTaWO6納米管進行Mn、Co、Ni、Cu、Zn幾種金屬元素的摻雜,研究了不同元素摻雜對納米管物化性質及結構/熱穩(wěn)定性的影響,進而考察各金屬元素摻雜對HTaW06納米管酸性質及固體酸催化性能的影響,為合理設計高性能固體酸催化劑提供新思路。3.將TiO2納米片與不同碳鏈長度的咪唑型ILs進行復合,制備出TiO2-ILs層狀有機-無機納米復合物,研究咪唑陽離子碳鏈長度對納米片表界面性質的影響,并考察復合材料表界面性質與CO2吸收性能之間的構效關系。結果表明,咪唑陽離子碳鏈長度會影響ILs與納米片之間作用力的大小,改變復合材料的層間距,進而影響復合材料的形貌、物化性質及CO2吸收性能。隨著復合咪唑陽離子碳鏈的增長,TiO2-ILs復合物對CO2的吸收性能有所提高。分析表明,復合物層間水分子的含量、層間可供CO2吸附的自由空間大小、咪唑陽離子與無機納米片之間作用力大小等因素共同影響層狀復合材料的CO2吸收性能。2D無機納米片與ILs的結構整合和界面調控為合成具有能源環(huán)境應用前景的新型層狀納米復合物提供了研究思路。
[Abstract]:The increasingly serious problems of energy shortage and environmental pollution have made the development and use of clean energy more and more important. Therefore, it is particularly important to develop highly active, highly selective and efficient nanoscale materials. In recent years, the rapid development of two dimensional (2D) nanomaterials is a new type of nanocomposite with special properties and various functions in the design and synthesis. The material provides a new opportunity for the high anisotropy and ultrathin thickness of.2D metal oxide nanometers to make it have special electronic structure and physicochemical properties. A large number of exposed surface atoms also make it easy to modify, hybrid and assemble. The composite materials obtained are not only with adjustable physical and chemical properties, but also the synergistic coupling between each component. In this paper, a series of novel multifunctional 2D composites based on transition metal oxide nanoscale were prepared from metal oxide nanoscale to prepare a series of new multifunctional ILs composites based on transition metal oxide nanoscale. The effects of physical and chemical properties (morphology, crystal structure, electronic structure, energy band structure and acidic substance), and the application of important applications in the field of energy and environment are used to evaluate the application of the synthesized 2D composite. The structure effect relationship between the composite microstructure and the synergistic properties of composite components is emphatically investigated. The main innovative work is as follows: 1. will 2 D ultra-thin HNb3O8 nanometers are combined with graphene, and the two staggered to form a new type of composite layered porous material with a large number of heterogeneous interfaces and multistage structures. It is applied to the photocatalytic reduction of CO2. Under the optimum composite ratio of HNb3O8 nanoscale / graphene, the yield of CO2 photocatalytic conversion to CO is more than commercialized P25. The relationship between the microstructure and catalytic properties of the material is 8 times higher than that of the HNb3O8 bulk material. The study of the structure and effect relationship between the microstructure and the catalytic properties shows that the strong interaction between the HNb3O8 nanometers and the graphene makes the composite material larger than the surface area, the narrow band gap, the decrease of the optical carrier recombination rate, the increase of acid strength and acid content, and the excellent photocatalytic activity. The performance. This work shows that the rational design and controllable synthesis of a new layered composite with metal oxide nanoscale as the basic structural unit can not only regulate the physical and chemical properties and catalytic properties of 2D composites, but also help to understand the structure-activity relationship between the microstructures and properties of nanomaterials and the coordination between components on the molecular scale. The same action mechanism.2. syntheses an efficient Fe doped HTaWO6 (TaW-Fe) nanotube solid acid catalyst by the method of exfoliation / ion exchange. The strong interaction between.Fe3+ and nanotube can obviously improve the structure / thermal stability of nanotube, so that most of the acid sites can be retained when the nanotube is roasted at high temperature and this phase can be retained. The interaction also facilitates the formation of new acidic sites. The synergistic effects of these factors make the TaW-Fe nanotubes still highly active in solid acid catalytic activity (Friedel-Crafts alkylation of benzyl alcohol and phenylmethyl ether and esterification of acetic acid and ethanol), so the stable solid acid nanotube has a harsh reaction condition. HTaWO6 nanotube was further doped with Mn, Co, Ni, Cu, Zn metal elements. The effects of different elements doping on the physicochemical properties and structural / thermal stability of nanotube were investigated, and the doping of metal elements to the properties of HTaW06 nanotubes and the catalytic properties of solid acid were investigated. In order to provide a new idea for the rational design of high performance solid acid catalyst.3., TiO2 nanoscale and imidazole ILs with different carbon chain length were combined to prepare TiO2-ILs layered organic-inorganic nanocomposites, and the influence of the length of imidazole cations on the surface properties of the nanoscale surface was studied, and the interfacial properties of the composites and the CO2 absorption were investigated. The results show that the length of the imidazole cation carbon chain affects the size of the interaction between ILs and nanoscale, changes the interlayer space of the composites, and then affects the morphology, physicochemical properties and CO2 absorption properties of the composites. With the increase of the composite imidazole cations, the absorption properties of the TiO2-ILs complex to the CO2 The analysis shows that the content of interlayer water molecules, the free space of CO2 adsorption between layers, the interaction between imidazole and inorganic nanoscale influences the CO2 absorption properties of the laminated composites, and the structure integration and interface regulation of.2D inorganic nanoscale and ILs are suitable for the synthesis of energy environment. The research idea of the new layered nanocomposite is provided.

【學位授予單位】：中國科學院大學(中國科學院過程工程研究所)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：O643.36;TB383.1

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