第一章绪论
现代经济的快速发展在带给人们经济繁荣的同时，也给环境带来了沉重的负担。能源匮乏及能源的过渡使用所造成的环境污染问题己成为人们必须面对的两大难题。纳米材料由于具有表面效应、量子尺寸效应、小尺寸效应以及宏观量子險道效应等诸多优点，使其在光、电、热、磁、催化等等方面得到了广泛的应用，有望在环境治理及新能源幵发方面提供有力的技术支持。半导体光催化剂，尤其是纳米二氧化汰材料具有化学性质稳定、抗光腐烛能力强、无毒、成本低等诸多优点，使它成为研究最为广泛、最具有开发前途的绿色光催化剂。纳米材料的合成方法多种多样，其中模板法因为具有实验装置简单、操作容易、形态可控、适用面广等优点，近年来引起了人们的浓厚兴趣。在各种结构和形貌的模板中，生物模板因为具有微观复合、宏观完美的结构特征而备受研究人员的青睐。以自然界中的生物体为模板，设计合成具有自然生物体微观结构和形貌特征的二氧化钛材料，并将其用于环境净化及新能源幵发等方面的研究具有特殊的重要意义。在各种生物模板中，天然纤维素材料因为具有分布广泛、无毒无污染、易降解以及优良的物理化学性质，而成为制备大比表面积二氧化钛纳米材料的优良模板。
1.1模板法合成纳米材料
1.1.1纳米材料简介
纳米材料是指在三维空间中，至少有一维处于纳米尺度范围，或是由这些纳米尺度的基本结构单元组成的材料。因为材料的基本组成单元处于纳米级别，因此，同普通的体材料相比，纳米材料表现出较为特殊的物理化学性质，在电子学⑴、光催化[2]、催化、激光、电催化电致发光、光致发光、磁性记录、光电转换、超导、分子识别与传感[6]、电池复合材料等领域具有广阔的应用前景。自1990年7月在美国召开第一届国际纳米科技技术会议,正式宣布纳米材料科学为材料科学的一个新分支之后，纳米材料得到了突飞猛进的发展。人们在如何设计合成纳+米结构材料、纳米材料的修饰与改性、有序化与功能化、纳电子器件的制备与集成、纳电子学研宄等等方面都进行了深入的探索并取得了卓越的成果。由于纳米材料的合成是研究纳米材料性能的基础，因此，如何制备纳米结构的材料受到人们的高度重视。
1.1.2模板法合成纳米材料的定义及特点
20世纪80年代，美国科罗拉多州立大学化学系Martin教授领导的研究组最先采用模板法合成了纳米结构材料。自此，模板法合成纳米材料引起了人们的广泛兴趣，并得到了长足的发展。所谓模板法，就是釆用物理或化学方法，将纳米结构材料的前躯体沉积到模板（Template)的孔中或是表面，然后移去模板，得到具有模板形貌结构和规范尺寸的纳米材料的过程。模板法同溶胶-凝胶法气相化学法[13]、水热合成法n4_i6]等相比具有诸多优点，主要表现在：（1)多数模板不仅可以方便地合成，而且其性质结构可在一定范围内精确调控；（2)模板的合成方法相对简单，并且可以批量生产；（3)模板法合成可以在解决纳米材料的尺寸与形状控制的同时，解决纳米材料分散稳定性的问题；（4)模板法尤其适合于一维纳米材料，如纳米管（nanotubes，NT)、纳米线(nanowires, NW)以及纳米带(nanobelts)的合成。因此，模板法合成纳米材料是公认的合成纳米材料及纳米阵列(nanoarrays)的最理想方法。模板合成最重要的一环，是制备性能优异的模板。从理论上讲，该模板除了具备纳米结构外，最好具有价廉易得、形状容易控制等优点。用于合成纳米材料的模板多种多样，主要分为纳米孔模板、纳米结构模板、软模板等。
第二章基于天然纤维素物质的二氧化钛包裹的碳纳米纤维材料的制备及其光催化性质研宄
2.1前言
自然界的生物体在几亿年的进化过程中，经过不断的磨合累积，其组织结构单元通过有序的组装，形成了从宏观到纳米层次上的独特的结构和形貌特征。这些独特的结构和形貌特征所赋予生物体的优异性质和功能，是人工材料无法比拟的。纳米技术的发展为人工材料的合成提供了一条有效的途径，借助于仿生学等方法，将生物模板的结构精确的复制下来，可以将生物体的独特结构和形貌复制到人造材料中去，从而得到具有特殊功能的人造仿生材料据文献报道，自然界中的很多生物，包括细菌、树叶、蝴蝶翅膀、蛋壳、娃藻土甚至昆虫的眼睛[3-8]，都被用作生物仿生材料的模板，制备出各种能够精确复制生物模板特异结构和形貌的材料，如二氧化娃、二氧化钛、分子蹄、娃单质以及聚合物等人造材料。生物模板合成的方法非常多，常见的合成方法有化学气相沉积法[5]、气固相交换沉积、原子层沉积[9]以及湿法化学如溶胶-凝胶法等等。在之前的研究工作中，我们己经建立起一套以天然纤维素物质为模板，通过表面溶胶-凝胶法，从纳米层次上精确复制纤维素的微观层次结构，从而制备得到氧化物纳米管的方法天然纤维素除了用作模板之外，还可以用作碳纤维的前体物和氧化物纳米管的支架，来制备复合纳米材料，得到结合支架材料与客体物质优异性能相结合的复合材料除此之外，将纤维素及客体材料在适当的条件下碳化，还可以得到具有特殊形貌的碳材料。在本章中，我们利用天然纤维素材料作为模板及碳源，制备得到了二氧化钦包裹的碳纳米纤维材料。
第三章基于天然纤维素物质的银纳米颗粒负载......... 73
3.1 引言.........73
3.2实验仪器与试剂......... 75
3.2.1实验仪器......... 76
3.2.2主要试剂......... 76
3.3实验方法......... 76
3.3.1 二氧化钛包裹的碳纳米纤维......... 77
3.3.2银纳米颗粒的负载.........78
3.3.3银含量的测定......... 78
3.3.4抗菌性能......... 78
3.3.5表征方法......... 78
3.4结果与讨论......... 79
3.4.1结构表征......... 80
3.4.2抗菌性能......... 80
3.5本章小结......... 80
第四章基于天然纤维素的氮化钕纳米.........81
4.1引言......... 81
4.2实验仪器和试剂......... 83
4.2.1实验仪器 .........84
4.2.2主要试剂......... 84
4.3实验方法......... 85
4.3.1氮化钛纳米管材料的制备......... 85
4.3.2电化学性质测试......... 86
4.3.3表征方法......... 87
4.4结果与讨论......... 88
4.4.1形貌观察......... 89
4.4.2物相表征......... 89
4.4.3表面组成......... 95
4.4.4比表面积......... 100
4.4.5电化学性质测试......... 100
4.5本章小结......... 104
结论
本文通过在上面沉积贵金属纳米颗粒，得到了具有特定功能和性质的复合纳米材料，主要内容和结论如下：以天然纤维素为基体，通过表面溶胶-凝胶法，将二氧化钛纳米薄膜沉积到滤纸的每一根纤维上，制备得到了二氧化铁/滤纸复合材料；然后将二氧化钛/滤纸复合材料通过后续的碳化处理，将滤纸转变为碳纤维，同时无定形二氧化钛转变为锐钛矿晶型，制备得到了锐钛矿型二氧化钛包裹的碳纤维复合材料；将该复合材料浸泡在硝酸银溶液中，通过光还原的方法，将银纳米颗粒负载上去，最后得到了银纳米颗粒负载的二氧化钛-碳纤维复合材料。该复合材料在微观上具有天然纤维素材料的层状结构和形貌特征，碳纤维的直径介于几纳米至几百纳米之间，且具有多孔结构；二氧化钛纳米薄膜均匀的包裹在碳纤维上，厚度均匀（约12nm)；同负载在二氧化钛纳米管上的银纳米颗粒相比，负载在二氧化钛-碳纤维复合材料中的银纳米颗粒含量更高（（9.5±0.1) %)，颗粒尺寸均一，平均直径为5nm。由于银纳米颗粒、二氧化钛纳米薄膜与碳纳米纤维之间表现出来的协同抗菌作用，该材料对革兰氏阳性菌（金黄色葡萄球菌）及革兰氏阴性菌（大肠杆菌）均表现出良好的抗菌性能，因此在水体处理系统中，具有较高的潜在应用价值。氮化钛纳米管材料。以天然纤维素物质为模板，通过溶胶-凝胶法制备得到了复制天然纤维素微观形貌的二氧化钛纳米管状材料；然后通过高温镁热还原法，以制备得到的二氧化钛纳米管状材料与镁粉在氮气中发生高温还原反应(1200 °C)，最后得到了具有天然纤维素微观形貌的氮化钛纳米管状材料。该材料在微观上完全复制了天然纤维素复杂的形貌结构特征，管壁厚度均匀(40-50nm)；同氮化钛纳米颗粒相比，该材料且具有较大的比表面积（31.4 m2/g)；选区电子衍射图表明这种氮化钛纳米管状材料具有单晶结构。电化学性质表明该材料具有典型的双电层电容器特性，在电流密度为0.16 A/g时，比电容高达74.2F/g。电化学阻抗谱图也表明，该材料的电荷转移电阻仅为0.69 Q,证明该材料具有良好的电化学性质，可作为理想的具有潜在应用价值的电极材料。
参考文献
[1] A. Fujishima and K. Honda, Electrochemical http://sblunwen.com/fzclygc/ Photolysis of Water at aSemiconductor Electrode, Nature, 1972，238, 37-38.
[2] A. L. Linsebigler，G. Lu and J. T. Yates, Photocatalysis on Ti〇2 Surfaces:Principles, Mechanisms, and Selected Results，Chem. Rev., 1995，95, 735-758.
[3] D. Philip Colombo Jr，K. A. Roussel, J. Saeh, D. E. Skinner, J. J. Cavaleri and R.M. Bowman，Femtosecond study of the intensity dependence of electron-holedynamics in TiC>2 nanoclusters, Chem. Phys. Lett.，1995，232, 207-214.
[4] K. Yamaguti and S. Sato, Photolysis of water over metallized powdered titaniumdioxide, J. Chem. Soc., Faraday Trans. 1，1985’ 81，1237-1246
[5] R. Dholam, N. Patel, M. Adami and A. Miotello，Hydrogen production byphotocatalytic water-splitting using Cr- or Fe-doped T1O2 composite thin filmsphotocatalyst, Int. J, Hydrogen Energy, 2009，34, 5337-5346.
[6] Y. Zhang, S. G. Ebbinghaus, A. Weidenkaff, T. Kurz，H.-A. Krug von Nidda，P. J.Klar, M. Gungerich and A. Reller, Controlled Iron-Doping of MacrotexturedNanocrystalline Titania, Chem, Mater., 2003,15，4028-4033.
[7] J. Yu， Q. Xiang and M. Zhou, Preparation, characterization andvisible-light-driven photocatalytic activity of Fe-doped titania nanorods andfirst-principles study for electronic structures, Appl, Catal, B, 2009, 90，595—602.
[8] J. Yu，G. Dai, Q. Xiang and M. Jaroniec, Fabrication and enhanced visible-lightphotocatalytic activity of carbon self-doped Ti〇2 sheets with exposed {001} facets, J,Mater. Chem., 2011, 27, 1049—1057.
[9] S. U. M. Khan, M. Al-Shahry and W. B. Ingler, Efficient Photochemical WaterSplitting by a Chemically Modified n-Ti02, Science, 2002, 297, 2243-2245.
[10] R. Asahi, T. Morikawa, T. Ohwaki，K. Aoki and Y. Taga, Visible-LightPhotocatalysis in Nitrogen-Doped Titanium Oxides, Science, 2001, 293, 269-271.