基本信息
- 项目名称：
- 微/纳分级结构CuI及其催化和吸附性研究
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- CuI是直接宽带隙半导体材料，在有机合成催化剂和重金属离子吸附等方面具有潜在的应用。近年来，纳米结构建筑块自组装成微/纳分级结构材料兼具纳米材料和微米材料的优势使其在材料化学领域崭露头脚，成为研究热点。同时，绿化化学是科学工作者期待和追求的。基于此，我们发展了一种简单、价格低廉、绿色的合成路线，在氨苄辅助下制备了微/纳分级结构CuI，所制样品可作为偶联反应的催化剂和重金属Cd2+的吸附剂。
- 详细介绍：
- 纳米尺度碘化亚铜具有突出的催化性质、电性质、磁性质和吸附性质使其得到了科学家的广泛关注，因此各种制备方法也随之得到了发展。到目前为止已经成功合成出了多孔状、近圆形、 花状纳米CuI。虽然这些技术都成功合成不同形貌的CuI，但是毒性原材料、繁琐的合成步骤，较高的反应温度，以及污染副产物的产生等限制了它们在应用方面的研究。因此，就需要寻求一种合成温度低、成本低以及对环境友好、条件温和的制备方法合成路线。同时，由于纳米材料在使用过程中由于其较大的比表面积使其容易团聚而大大降低其性能，为此，微/纳分级结构材料应运而生以有效解决材料的性质不稳定性问题。研究表明可以通过调整材料基本组成成分的种类、界面曲率以及内部组织的种类来设计和组建分级结构，从而调控材料的性质。但调控这些参数并非易事，因此，如何构建分级结构材料促进新功能材料的发展，引起了越来越多研究团体的兴趣。结构决定性质，这激励着材料科学家和化学家致力于探索不同的制备方法以获得形貌各异的材料，从而调控其性能。采用生物分子作为模板把无机纳米晶体组装成分级的微/纳结构的手段，已是公认的比较成功的方法之一。同时，微/纳分级结构在使用过程中可以有效维持材料的结构和形貌，从而避免了样品的团聚。基于此，在我们前期制备氧化锌基复合、空壳材料基础上，基于绿色化学理念在氨苄辅助作用下构建微/纳分级结构CuI。X-射线粉末衍射、X-射线光电子能谱和扫描电子显微镜表征充分证明了分级结构CuI的生成。氨苄在整个过程既充当了还原剂又作为形貌导向剂，该方法科学、环保、简单、可操作性强。所制备的微/纳分级结构CuI对苄胺和碘苯的偶联反应具有优良的催化性能，这主要是其分级结构优势所显。产物对水中的Cd(II)有较强的吸附能力，吸附脱附效果几乎达到了100%，有利于材料在重金属污染治理方面的应用。在本作品中系统探讨制备条件与材料形貌的关系，摸索出微/纳分级结构CuI制备的优化条件，研究材料的结构和其催化性能与吸附性能的关系，从而找出材料的制备、结构和性质三者之间的辩证关系，为性能优化的材料的构建提供可靠、可取的实验数据。该研究得到2010年国家大学生创新性实验计划项目（国家级）和国家自然科学基金（项目编号：21071047）的资助。
作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 纳米尺度CuI比体材料具有突出的催化及电磁性质而受关注。目前，成功合成出多种形貌的纳米CuI，但方法繁琐，有污染，材料稳定性差。微/纳分级结构材料可有效解决材料的不稳定性问题。为此，在国家大学生创新性实验计划项目资助下，在我们前期制备氧化锌基复合、空壳材料基础上，采用绿色化学理念构建微/纳分级结构CuI，优化制备条件，研究材料结构与催化和吸附性能的关系，为性能优化的材料构建提供可靠的实验数据。
科学性、先进性及独特之处
- 1.本作品用绿色方法成功合成了微/纳分级结构CuI。氨苄在整个过程既充当了还原剂又作为形貌导向剂。该方法科学、环保、简单、可操作性强。 2.所制备的微/纳分级结构CuI对苄胺和碘苯的偶联反应具有优良的催化性能，这主要是其分级结构优势所显。 3.产物对水中的Cd(II)有较强的吸附能力，吸附脱附效果几乎达到了100%，有利于材料的重复使用。
应用价值和现实意义
- 1.从材料制备上讲，本作品用绿色方法成功合成了微/纳分级结构CuI，该方法科学、成本低廉、可操作性强、无污染、产率高，对材料的合成具有重要的指导意义。 2. 从材料性能应用上讲，该产品催化及吸附性能优良，产物对水中的Cd(II)吸附脱附效果几乎达到了100%，有利于材料的重复使用，因此，具有很好的实际应用价值。
学术论文摘要
- 基于绿色化学理念，在室温下通过环境友好的方法，在氨苄辅助下合成了花状微/纳分级结构CuI。利用场发射扫描电子显微镜，X-射线衍射仪和X-射线光电子能谱仪表征该产物的形貌、组成和结构。结果表明，氨苄分子在CuI晶体的生长中既充当了还原剂，同时又作为形貌导向剂诱导晶体生长，并据对比实验结果提出了形成机理。所合成的CuI对苄胺和碘苯之间的偶联反应呈现优良的催化性能；同时，也可以有效吸附去除水溶液中的二价镉离子，其吸附和脱附率都接近于100%，有利于材料在重金属污染处理方面的应用。这是首次报道微/纳分级结构CuI同时作为有机反应高效催化剂和重金属离子的吸附剂。
获奖情况
- 1.申报作品原文“Cauliflower-like CuI nanostructures: green synthesis and applications as catalyst and adsorbent”以第一作者发表于Mater. Sci. Eng. B.（doi:10.1016/j.mseb.2011.05.023，SCI三区，影响因子1.577），获第九届“挑战杯”河南省大学生课外学术科技作品竞赛一等奖。 2.另有4篇相关论文在Nanoscale Res. Lett., 2010, 5, 1779-1787. (SCI二区，影响因子2.894，第二作者)、J. Nanopart. Res., 2011, 13:2875-2886 (SCI二区，影响因子2.478，第二作者)、J. Alloys Compounds, 2011, 509: 5755–5760 (SCI二区，影响因子2.135，第三作者)和J Mater Sci.,2011, 46:3349–3355. (SCI三区，影响因子1.471，第三作者)。
鉴定结果
- 该作品用绿色方法成功合成了微/纳分级结构CuI，方法科学、环保、可操作性强。所制备的CuI对水中的Cd(II)有较好的吸附能力，吸附脱附效果几乎达到了100%，可望在重金属污染治理方面得到应用。
参考文献
- [1] B. Sreedhar, R. Arundhathi, P. Linga-Reddy,et al, J. Org. Chem., 2009, 74: 7951-7954. [2] H.T. Li, L.X. Gu, Inorg. Mater., 2007, 43:85-89. [3] Y. Zhou, M. Lü, G. Zhou,et al, Mater. Lett., 2006, 60:2184-2186. [4] C.H.B. Ng, W.Y. Fan, J. Phys. Chem. C, 2007, 111:9166-9171. [5] P.J.G. Goulet, R.B. Lennox, J. Am. Chem. Soc., 2010, 132: 9582-9584. [6] V.F. Puntes, K.M. Krishnan, A.P. Alivisatos, Science , 2001, 291:2115-2117. [7] S. Laurent, D. Forge, M. Port, A. et al, Chem. Rev., 2008, 108:2064-2110. [8] S. Gao, S. Yang, J. Shu, et al, J. Phys. Chem. C, 2008, 112: 19324-19328. [9] M. Zahmakıran, S. Özkar, T. Kodaira,et al, Mater. Lett., 2009, 63 : 400-402 [10].L. Rout, T.K. Sen, T. Punniyamurthy, Angew. Chem. Int. Ed., 2007, 46: 5583-5586
同类课题研究水平概述
- 近年来，维度和形貌可控的纳米材料引起了众多领域的兴趣。在过去的几十年中，微、纳结构块自组装成微/纳分级结构在合成材料等方面无可比拟的优点，使其成为研究热点。研究表明可以通过调整材料基本组成成分的种类、界面曲率以及内部组织的种类来设计和组建分级结构，从而调控材料的性质。但调控这些参数并非易事，因此，如何构建分级结构材料促进新功能材料的发展，引起了越来越多研究团体的兴趣。结构决定性质，这激励着材料科学家和化学家致力于探索不同的制备方法以获得形貌各异的材料，从而调控其性能。采用生物活性分子做为模板把无机纳米晶体组装成分级的微/纳结构的手段，已是工人的比较成功的方法之一。另外，据文献报道，催化反应的反应速率常数随着晶体表面角和边的增多而增大。同时，微/纳分级结构有效的维持了原有的形貌，从而避免了样品的团聚。由于CuI是直接宽带隙半导体材料，它在超离子半导体、固体太阳电池、有机合成催化剂等方面具有潜在的应用，因而CuI已经成为材料领域中举足轻重的一员。到目前为止已经成功合成出了多孔状、近圆形、花状纳米CuI。虽然这些技术都成功合成不同形貌的CuI，但是有毒性原材料、繁琐的合成步骤，较高的反应温度，以及反应过程中产生有污染副产物等限制了它们在应用方面的研究。因此，就需要寻求一种合成温度低、成本低以及对环境无污染、条件温和的制备方法合成路线。基于此，我们发展了一种简单的、价格低廉的、绿色的合成路线，在氨苄辅助作用下制备了微/纳分级结构CuI。与文献报道的方法相比，我们简化了试验程序、缩短了反应时间、降低了反应温度、并且制备方法绿色无污染。所制样品高效地充当偶联反应的催化剂和重金属Cd2+的吸附剂。
