离子响应的纤维素表面修饰研究

重金属离子和有害阴离子对水体和土壤日益严重的破坏进而危害人体健康是亟待解决的环境问题之一，因此发展简便有效的离子检测方法具有重要的现实意义。本项目拟在纤维素表面修饰的基础上，建立和发展具有高灵敏度和高选择性的水体系中有害离子的检测方法。首先通过表面溶胶－凝胶方法在自然纤维素物质（如滤纸）的纳米纤维表面精确沉积金属氧化物凝胶薄膜，进而经由功能分子自组装引入对几种重金属离子（如汞、镉和铜等）和有害阴离子（如氟离子和亚硝酸根离子）有特定响应的化学基团，实现基于可见颜色变化的离子检测。较之传统的二维平面基底体系，该方法可有效提高对极低浓度的离子的响应从而提高检测的灵敏度。该研究兼具新型仿生功能纳米基础研究和污染水体检测分析应用的双重意义。

自然生物物质特殊的天然结构赋予其人工材料所难以比拟的优异功能，是构建人造功能纳米结构材料理想的模板和支架物质。天然纤维素物质作为一种常见的天然高分子化合物，从宏观到分子层次的独特阶层结构及其在纳米层级上的多孔网状形貌可期赋予以其为模板或支架而制备的有关人造材料独特的性质和功能。以纳米层级的精度和客体基质（无机和有机的）精确复制自然纤维素物质, 能够最大限度地把其优异性能（如多孔隙结构和高内表面积）引入到相应的人造材料中去。应用表面溶胶－凝胶方法可以在纤维素物质的纳米纤维表面以纳米级别的厚度可控沉积金属氧化物凝胶薄膜，特定功能的客体物质能够进一步地表面组装于其上，从而得到相应的具有纤维素物质阶层状结构和形貌的人造功能材料。本项目通过表面溶胶－凝胶方法在自然纤维素物质（如滤纸）的纳米纤维表面精确沉积金属氧化物凝胶薄膜，进而经由功能分子自组装引入对重金属离子、有害阴离子、小分子和气体分子有特定响应的化学基团，实现了基于可见颜色变化的高效检测。较之传统的二维平面基底体系，该方法可有效提高对极低浓度的离子的响应从而提高检测的灵敏度。作为本项目的拓展，应用自然纤维素物质为模板设计和制备了系列无机复合功能纳米材料，探索了其作为光催化剂降解有机污染物和光裂解水制氢以及作为新型锂离子电池电极材料的应用。通过本项目的资助，发表研究论文29篇（含一篇发表于期刊 Adv. Mater. 的综述论文），获得授权国家发明专利6项；毕业硕士研究生4人，博士研究生5人。