化学还原法制备单质晶体仿生纳米材料

项目致力于设计和制备基于自然纤维素物质结构的仿生单质晶体纳米功能材料。首先以自然材料（如纤维素）为模板，通过溶胶凝胶的方法构筑具有仿生结构的氧化物（氧化硅、氧化钛和氧化锆等）的纳米管，实现在纳米层次上以无机客体基质复制精确自然物质的结构和形貌，把自然材料的优异性能引入到人造材料中去；随后通过使用金属镁在相对温和的条件下将所得的氧化物纳米管材料还原，通过以上两步反应制备出具有原始自然纤维素材料结构和形貌的单质态纳米仿生材料，并通过对反应过程进行计算模拟进一步明确反应机理，为制备多种单质状态的纳米仿生材料提供了一个新思路。本工作采用的自然材料，其多孔结构和高内表面积赋予目标仿生纳米材料独特的性能，所设计的各种仿生纳米材料在催化、纳米器件（光电磁等）及生物传感器方面具有广阔的应用前景，并且对于发展光电池等清洁能源、污水检测和净化以及开发新型医用材料具有一定的实际意义。

本项目通过镁热还原或者镁粉辅助的碳热还原法，制备了一系列具有设计功能的纳米材料。以自然纤维素物质-滤纸为模板，通过镁粉辅助的碳热还原法，在比传统反应温度低1000 ℃的条件下制备了碳化钛和碳化锆纳米材料。较低的反应温度避免了反应过程中材料结构的破坏，因此所得碳化物具有和初始滤纸相似的微观结构和形貌。通过对镁粉辅助还原制备碳化钛和碳化锆的反应热力学进行计算，探索反应机理并分析镁粉在降低碳热还原过程中所起的重要作用。此外，使用介孔分子筛MCM-41和SBA-15为模板，通过镁热还原法制备了具有规整介孔结构的多孔硅和碳化硅。.在制备具有纤维素微观结构和形貌的碳化锆纳米材料的过程中，首先以滤纸为模板，利用表面溶胶凝胶法制备了氧化锆纳米管。然后以蔗糖为碳源，加入镁粉作为催化剂在600 ℃的温度下制备了碳化锆材料，比碳热还原温度低了约1000 ℃。所得碳化锆纳米材料在200 ℃以下具有较高的热稳定性能。通过对反应过程的热力学计算，发现镁粉对降低碳热还原反应温度起了决定性作用。 .具有自然纤维素物质结构的碳化钛纳米材料的制备过程与上述碳化锆的制备过程相同。得到的碳化钛纳米材料在纳米层次上较好的复制了初始滤纸模板的微观结构并在300 ℃以下具有良好的热稳定性能。对反应机理的研究发现镁粉辅助的碳热过程中，镁首先与二氧化钛表面包覆的碳发生了化合反应，得到了Mg2C3。TiO2则先被碳还原为Ti3O5然后Mg2C3与Ti3O5发生原位还原反应，得到TiC材料。.使用具有介孔结构的二氧化硅分子筛MCM-41和SBA-15分别作为结构模板，在低于700℃的条件下通过镁热或者碳热还原法制备了有序介孔硅和介孔碳化硅纳米材料。由于反应温度较低，初始分子筛模板的结构得以保留，因此所制备的多孔硅和碳化硅具有与MCM-41和SBA-15分子筛几乎相同的微观形貌和结构。.本项目系列研究成果已形成SCI期刊论文5篇，EI期刊论文2篇，中文重要核心期刊论文2篇，其中SCI/SSCI二区以上刊物3篇，最高影响因子>6分，授权发国家发明专利3项。总体来说，本项目较好地完成了预期研究目标。