多功能纳米空心球的渐进前沿制备和高性能化研究

多功能化和高性能化是空心球制备的关键技术。针对这一难题，本项目提出气溶胶法渐进前沿制备多功能纳米空心球的新思路。研究液滴表面渐进前沿挥发速率、前驱物渐进梯度聚合前沿和空心球结构参数之间的关系，建立空心球制备的渐进前沿模型。研究球壳中功能元素种类和分布状态对光电子和正空穴结合几率以及光电子转移阻力的影响规律；研究功能元素在半导体空心球壳中的价态以及与半导体空心球的结合状态和作用机理，元素浓度和种类对空心球吸光范围、光电子转移和能带的影响规律；揭示功能空心球光吸收和转化效率极高的独特机理。根据空心球表面性质、结构参数和组成对其光电转换、催化、吸附等功能的影响，优化制备参数，制备具有多功能的新型材料，扩展气溶胶法应用范围和纳米材料合成理论。渐进前沿机理制备纳米空心球的提出，空心球结构参数和表面性质可控、多功能化、空心球高的光吸收和转化效率是本项目的特色。

纳米空心球在药物输送、光电功能转换、储氢和储能、传感器和微反应器等方面极具应用潜力，空心球材料的研发和功能化已成为微/纳材料领域的持续研究热点。本项目巧妙地将化工传递原理应用于功能空心/大孔材料的设计制备中，提出气溶胶法渐进前沿制备多功能纳米空心球的新思路。首先研究了乳化/微乳液滴的性质及其对晶体生长的控制机理；然后以乳化/微乳液滴为模板，调节反应时间或温度，控制前驱物由表面向核心的反应前沿，采用气溶胶法制备了孔径和孔密度可控的功能化多孔球。揭示纳米颗粒中孔对物质的传递促进效应，引入腐蚀液去除未进入反应前沿的前驱物，制备了壁厚不同的TiO2/SiO2/Fe2O3功能空心球。研究了Fe2O3、CdS、聚吡咯(PPy)等无机/有机材料与TiO2/SiO2空心球表面的结合状态和作用机理，揭示了空心球/功能元素间的界面电子转移和p-n结效应的形成机理；制备出TiO2/CdS、TiO2/SiO2/Fe2O3/PPy和TiO2/PPy可见光(400-800nm)染料催化降解材料、H2O2检测材料和高性能光电转换材料。同时制备了磁性易回收的有机染料吸附空心球。. 拓展渐进前沿法制备空心材料的机理，成功合成出孔径为~20nm的片状氢氧化镁及氧化镁晶体。其中氧化镁的BET表面积高达140-200m2/g，具有优异的吸附性能（吸附能力：刚果红471-588mg/g, 甲基橙370mg/g，苏丹红180mg/g）。该方法的主要意义在于可简单制备出具有双介孔结构（1-5nm; 10-50nm）的晶体吸附材料、实现选择性吸附，降低材料内部的扩散阻力，提高被吸附物质和材料活性位的接触几率。