天津大学硕士研究生选题报告

1、1、拟选课题国内、外的研究动态、水平、存在问题，并附主要参考文献：我国高岭土资源以成因类型齐全、储量丰富、质地优良闻名于世，高岭土是 一种天然矿产，长期以来一直广泛应用于轻工、化工、建材、石油、医药、卫生 等领域。目前，多数高岭土企业的现状是：规模较小、产量不大、产品质量不高， 与美国、英国、巴西等国相比存在较大的差距。国内高岭土的深加工水平与经济 效益与国际先进水平差距还很大，因此，开发高岭土深加工工艺显得尤为重要。功能材料的性质很大程度上取决于他们的微观结构，自从日本科学家S.Iijima教授于1991年发现碳纳米管（CNT）以来，一维纳米结构材料更是引起了人 们的广泛关注。纳米粒子因其尺

2、寸达到分子、原子数量级，因而具有许多新的特 性，如：量子尺寸效应、表面与界面效应、小尺寸效应等。其中，纳米管材料已 在电子、光学催化、能量的存储和转运等领域展现出了良好的应用前景。我们知 道，单根纳米线或纳米管在性能上各自具有特点， 但就单根而言，其性能不足以 具有明显的规律性，也不具备投入生产的实际价值。故很多研究者正努力寻求纳 米管或纳米线能投入到实际生产中去的有效排列方式，在众多的排列方式中，阵 列排列由于其独特的排列方式越来越吸引人们的兴趣。阵列具有明显的平行分 布，各根纳米管能有效的集中在一起，同时对外界的激发或作用产生效应， 并且 整体效应趋于一致，相互增强，从而具有比普通纳米管更

3、优越的性质， 广泛应用 于激光器、传感器、数据存储、能量存储、智能仿生等领域。目前，国际上对高 岭土纳米管制备的研究已相对成熟，将高岭土纳米管做成阵列对充分发挥纳米管 的优势及开发高岭土深加工工艺具有重大的意义。目前，氧化物纳米阵列材料的制备方法主要有两种，硬模版法和软模板法， 其中硬模版法是最常用的一种，通常采用定向多孔模板，然后通过化学沉积，最 后除去模板来完成，人们使用最多的是阳极氧化铝模板法。 氧化铝模板法具有以 下特点：（1）实用性广，可以制备各种材料的阵列；（2）易调节性，可以通过改 变氧化铝模板的孔径大小来调节所制备的纳米阵列的直径；（3）分散性好，由于氧化铝模板的孔径大小基本一

4、致，故所制备出的纳米材料也同样具有尺寸相同、 单分散的纳米结构；（4）高有序性，使用模板法可以制备出高度有序的纳米阵列 体系。软模板法是因为采用了表面活性剂的孔道，即中孔相，在表面活性剂提供的 孔道中，对纳米材料的生长进行一定的导向作用，故能获得一定形状的纳米材料， 该方法的优点在于操作简单、成本较低、条件温和等，并且能够充分使得反应物 在分子孔道内进行，达到分子级水平的组合，但是该方法也有一定的缺陷，主要 应为实验条件难以控制，合成的纳米级材料的长径比与表面活性剂的浓度以及微 乳液的分子尺寸有关系，所以导致合成理想的易控制的纳米材料存在较大的难 度，尤其是对于合成纳米级的阵列材料而言，仍然存

5、在着较大的挑战。因此，对 于制备纳米材料或纳米阵列材料，目前使用最多最广的方法仍然是多空氧化铝模 板法。模板法制备纳米材料的工作始于1970年，GE.Possin等人利用高能离子轰击 云母形成的孔隙中，制备出直径只有40nm的金属线，W.D.Williams等人在此基础上通过部分改进，成功制备出直径更小的Ag线。2001年美国科学家Grimes首 次利用电化学阳极氧化的方法制备了TiO2纳米阵列材料，引起了人们的极大关注。此后，Hsu等以(NH4)2TiF6为沉积液，H3BO3为氟离子消耗剂，在 AAO模 板的孔道中沉积出孔径为200nm的TiO2纳米管阵列；Yamanaka等则通过TiF62

6、 -与AAO模板的反应，原位沉积出TiO2纳米管阵列；蒋武锋等为了克服AAO模 板质脆易破、强度低、不利于后续操作的缺陷，以保留有铝基的AAO膜为模板， 也成功制备出TiO2纳米管阵列。刘桂林等以多孔阳极氧化法为模板，并结合减压抽滤法制备了 DyZO3纳米管阵列，并对其磁性能和荧光性能进行研究。本课题首次尝试用阳极氧化铝模板法将高岭土纳米管做成阵列，然后对高岭士纳米管阵列进行改性，探究其是否有一些特殊的性能。主要参考文献：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孙秀玉，徐法强，李宗木，等.阳极氧化铝模板的结构和性能表征及形成机理J.中国科学技术大学学报，2006, 36(4): 432 435.10黄炎，曾虹燕，屈叶青.纳米阳极氧化铝模板膜孔可控生长规律J.硅酸盐学报，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陈兴刚，桑晓明，侯桂香等.高岭土插层改性研究进展J.中国陶瓷，2010, 46(7):15-30.14王绪海，卢旭晨.高岭土表面改性研究进展J.化工矿物与加工，2004, (3): 1-1015李家毓，周兴龙，雷力.我国煤系高岭土的开发利用现状及发展趋势J.云南冶金，2009, 38 (1) : 23 N6.2、课题拟解决的主要技

13、术问题，在理论和应用方面的意义，完成课题的条件(包 括个人业务水平、教研室或学科组的技术、设备条件)和拟采取的技术措施和办 法：实现一维纳米阵列的高效可控制备是其应用研究的基础，一维纳米阵列材料的规模化可控制备是当前纳米技术最具挑战性的研究课题之一。止匕外，制备出高度有序的、粒径分布均匀的理想阳极氧化铝模板是合成纳米组装体系材料的必要 前提。与高成本的碳纳米管相比，高岭土族纳米管在成本、环境友好以及兼容性等 方面有很大的优势，大多数一维纳米阵列在激光器、传感器、数据存储、智能仿 生及能量存储及转化等领域具有广阔的前景和独特的优势，而且一维纳米阵列作 为高性能电化学能量储存器件的电极材料具有广阔

14、的发展前景。若将低成本的高岭土转变成纳米管阵列应用于电子陶瓷材料、催化剂以及从分发挥纳米管阵列所 具备的的良好的储能及输运性能，对充分利用高岭土及其深加工工艺具有重大的 意义。本课题的主要研究内容如下：(1)通过金属铝的电化学阳极氧化，在酸性的(磷酸、硫酸或草酸)电解质 溶液中通过控制各种实验条件制备高度有序的阳极氧化铝模板，研究制备工艺条件对产品形貌结构及性能的影响。 重点研究因素包括电解液的种类及浓度、 电解 电压、氧化时间及极板比，确定制备阳极氧化铝模板的最优条件。(2)以煤系高岭土为原料，在一定的条件下结合阳极氧化铝模板制备高度有序 的高岭土纳米管阵列。(3)对产品的形貌、组成、官能团

15、、比表面积及孔径分布等进行表征，说明产 品的基本结构特征。(4)尝试在制备过程中进行一些掺杂，实现产品的改性研究。结合实验室条件拟采用的研究方法如下：(1)利用X射线粉末散射技术(XRD),进行物相分析；(2)利用扫描电镜(SEM)及透射电镜技术(TEM),进行形貌分析；(3)利用能量色散X射线光谱技术(EDX),进行元素分析；(4)使用红外光谱技术(FTIR),测定样品的官能团和化学键；(5)使用N2等温吸附-脱附技术，测定样品的比表面积和孔径分布；(6)使用分光光度技术，测定样品的分散稳定性和吸附性。3、课题进展计划(包括各阶段计划完成的内容和所需的时间等):2013年9月1日一2013年9月30日，阅读文献，完成文献调研工作。2013年10月1日一2013年10月30日，做前期准备工作，完成开题报告。2013年11月1日2013年1月30日，制备高岭土纳米管阵列并优化工艺 参数，完善制备方案。2014年3月1日2014年4月30日，对高岭土纳米管进行改性并测试其性 能，完成对数据的分析处理。2014年5月1日2014年5月30日，完成毕业论文的撰写工作。4、导师对硕