新型孔结构材料的制备与分析应用研究

发布时间：2017-12-21 06:39

  本文关键词：新型孔结构材料的制备与分析应用研究　出处：《西南大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

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【摘要】：近年来,无机介孔材料、金属-有机框架化合物(MOFs)与光敏分子印迹材料三种新型孔结构材料在分析化学各领域中的应用逐渐兴起。其中,无机介孔材料作为一种新型的纳米材料,由于其具有相较一般纳米材料更高的比表面积和良好的纳米限域空间,可用于高活性纳米微粒模拟酶的构建;而金属-有机框架化合物,由于具有类沸石的开放可调孔道结构和大的比表面积,正逐渐受到模拟酶研究领域的关注;此外,光敏分子印迹材料作为一种新颖的孔结构材料,由于其独特的光敏性和良好的选择性,可在分析化学中用于分子识别。这些材料为分析化学应用的拓展打开了新的大门,但其在分析应用领域的良好应用仍需依赖于材料制备方法的改进与开发。鉴于此,本论文主要开展了三个方面的工作:(1)用简单的免模板法合成了三种铁、钴氧化物介孔材料,并探讨了其作为过氧化物模拟酶的性能与在分析化学中的应用;(2)用简单的水相自组装法制备了两种介孔氧化铁与MOFs的复合材料,并讨论了其作为过氧化物模拟酶的性能与在分析化学中的应用;(3)合成了一种基于偶氮苯衍生物的新型光响应分子印迹水凝胶膜,并探讨了其识别四环素的特性及其在食品分析中的应用。论文共分六章,主要内容如下:第一章:分别从四个方面进行了文献综述,包括无机纳米材料模拟酶的研究,无机介孔材料的制备与分析应用,MOFs材料的制备与分析应用,以及光响应分子印迹材料的制备和分析应用。第二章:介孔材料由于其高的比表面和明显的限域效应,在模拟酶研究领域有巨大的应用潜力。由于涉及可变价金属,一般诸如Fe_3O_4这类无机化合物较难通过传统的模板法制备。本章通过设计一种制备介孔Fe_3O_4的新方法,不仅有效制备了介孔Fe_3O_4,而且由于不需要模板剂,操作快速简便。通过XRD、FT-IR、TG、SEM、TEM和BET表征表明,在控制合成条件下所制备的四种Fe_3O_4粒子均具有明显的介孔结构。在沉淀时CO_2的释放是成孔的主导因素,并且通过调节铝盐加入量可以调控Fe_3O_4的孔结构参数。将四种介孔Fe_3O_4粒子不加修饰直接用于催化H_2O_2氧化3,3’,5,5’-四甲基联苯胺(TMB)显色反应,影响因素研究结果表明,四种介孔Fe_3O_4在p H=3.0~3.5、55~60℃之间具有最佳模拟酶催化活性,并呈现出较为稳定的与材料孔结构相关的催化活性递变规律。同时,其对温度的耐受性相较无孔纳米Fe_3O_4有所提升。稳态动力学研究表明,四种介孔Fe_3O_4相较一般纳米Fe_3O_4对底物的亲和性均发生明显变化,在对H_2O_2亲和性明显提高的同时,降低了对TMB的亲和性,而这正是介孔材料限域效应对大分子底物产生选择性的结果。将具有最佳活性介孔Fe_3O_4用于检测H_2O_2,其在1~25μmol/L范围具有良好的线性响应,检测灵敏度明显优于文献报道的一般无孔结构纳米Fe_3O_4。第三章:本章设计了一种制备介孔Co_3O_4的新方法,虽然需要水热合成及高温转化,但不需要传统介孔材料制备所需的模板剂,操作快速简便。通过XRD、FT-IR、TG、SEM、TEM和BET表征结果表明,所制备的四种Co_3O_4粒子均具有明显的介孔结构。而前驱体热解时CO_2的释放是材料成孔的主导因素,通过调节铝盐加入量可以调控Co_3O_4的孔结构。将四种介孔Co_3O_4粒子不加修饰直接用于催化H_2O_2氧化TMB显色反应,影响因素研究结果表明,p H=3.0、65℃时材料具有最佳模拟酶催化活性,相较一般纳米Co_3O_4,其对温度的耐受有明显的提高。稳态动力学研究表明,四种介孔Co_3O_4相较一般纳米Co_3O_4对催化底物的亲和性均发生明显变化,致使其模拟酶催化活性不同程度优于文献。将具有最佳催化活性的介孔Co_3O_4用于检测H_2O_2,其在1~25μmol/L范围具有良好的线性响应,检测灵敏度优于文献报道的一般纳米Co_3O_4。第四章:本章开发了一种新颖的水热法制备介孔CoFe_2O_4方法,由于不需要传统介孔材料制备所需的模板剂,操作快速简便。通过XRD、FT-IR、TG、SEM、TEM和BET表征表明,所制备的四种CoFe_2O_4粒子均具有明显的孔道结构,而沉淀时CO_2的释放是材料成孔的主导因素,通过调节铝盐加入量可以调控介孔CoFe_2O_4的孔结构参数。将四种介孔CoFe_2O_4粒子不加修饰直接用于催化H_2O_2氧化TMB显色反应,影响因素研究结果表明,四种介孔CoFe_2O_4随影响因素的活性变化趋势高度一致,并在不同影响因素条件下保持一致的相对活性关系。四种材料均在p H=3.0、55℃具有最佳模拟酶催化活性,其对温度的耐受有相较一般无机纳米氧化物有一定提高。稳态动力学研究表明,四种介孔CoFe_2O_4相较一般纳米CoFe_2O_4对双底物的亲和性均发生明显变化,在对TMB亲和性明显降低的同时获得的对H_2O_2更高的亲和性。将具有最佳活性的介孔CoFe_2O_4用于检测H_2O_2,其在1~25μmol/L范围具有良好的线性响应。第五章:选择介孔Fe2O3和Fe_3O_4,通过在水相自组装制备了两种新型的MOF复合材料ZIF-67@Fe2O3与ZIF-67@Fe_3O_4,方法新颖、简便、高效。通过XRD、FT-IR、TG、SEM、HR-TEM和BET表征表明,材料复合改变了原有材料的孔结构和表面化学组成,导致其对催化底物H_2O_2和TMB的亲和性均有明显提高。将制备的ZIF-67、Fe2O3、Fe_3O_4、ZIF-67@Fe2O3和ZIF-67@Fe_3O_4用于催化H_2O_2氧化TMB的显色反应,复合材料在p H=3.0、45℃具有最佳模拟酶催化活性,其催化活性显著高于Fe2O3、Fe_3O_4及ZIF-67。将两种复合材料用于H_2O_2测定,ZIF-67@Fe2O3在0.25~25μmol/L范围,ZIF-67@Fe_3O_4在1~50μmol/L范围具有良好的线性响应。其中ZIF-67@Fe_3O_4与第三章制备一般介孔Fe_3O_4相比,双氧水检测线性范围有所扩大。第六章:制备了一种以偶氮苯衍生物为单体和四环素(TC)作为模板剂的光响应分子印迹水凝胶(MIH)膜。对其进行的性能研究表明,此MIH膜的光敏性稳定,在20次循环后无明显的光解。MIH膜对TC具有特异亲和性,在365和440 nm光交替照射下可以定量的摄取和释放TC。TC浓度在0~200μmol/L范围内与MIH水凝胶中的偶氮苯的光致异构化率常数呈线性关系。基于此,本章建立了一种快速测定含水食品中痕量TC的方法。在经过一个简单的预处理之后,即可将材料用于测定牛奶中的痕量TC。
【学位授予单位】：西南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TB383.1

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