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目前，无机中空球形颗粒存在尺寸及其分布难以控制、球壁厚度不均匀、规整性差、团聚严重、球壁结构单一等方面的不足，成为限制其进一步发展和应用的瓶颈问题。本文针对上述问题，主要开展了SiO2中空球可控合成和球壁微结构化的研究，并对中空SiO2球形颗粒在能源材料领域的应用作了一些探索研究。主要研究内容与结果如下：
(1)亚微米聚苯乙烯(PS)模板颗粒的新型制备工艺研究
制备可控中空球形颗粒(尺寸及分布)的前提之一，是如何得到粒径小、尺寸分不均匀的模板颗粒。本文尝试将溶剂热方法引入到制备聚苯乙烯(PS)的常规单体分散聚合反应体系，提出了溶剂热辅助的分散聚合新型制备工艺。系统地考察了苯乙烯单体浓度、醇水比例、溶剂热温度及稳定剂含量对模板颗粒尺寸及其分布的影响。实验结果表明，在溶剂热条件下，颗粒粒径及其分布对苯乙烯单体浓度因素最为敏感，单独地改变苯乙烯单体浓度可以实现对聚苯乙烯模板颗粒粒径在100-1000nm的范围内的调节，并保持较好的尺寸单分散性。上述结果大大拓宽了传统分散聚合体系的产物粒径控制范围(1-20μm)。此外，该工艺具有省时、便捷、产品易于分离与净化等特点，为合成尺寸及其分布可控的亚微米乃至纳米无机中空球颗粒材料奠定了基础，也为合成其它聚合物单分散性颗粒提供一个值得借鉴的思路。
(2)中空SiO2球球壁厚度的控制及无团聚中空SiO2球形颗粒的制备
针对中空球的球壁厚度不均匀、规整性差、团聚严重等方面的不足，本文从前驱体正硅酸四乙酯(TEOS)水解动力学及颗粒增长动力学出发，探讨了水解产生的SiO2物种在模板颗粒固-液界面的异相沉积过程，并提出了简化模型；通过实验验证了模型的可靠性和合理性，确定了SiO2物种在模板颗粒固-液界面发生异相沉积过程所需要的反应参数和边界条件。实验结果表明，在固定氨和水浓度条件下([NH3]0=0.14mol/L，[H2O]0=1.48mol/L)，前驱体TEOS浓度在20-70mmol/L的范围内，SiO2物种的沉淀过程主要在聚苯乙烯模板(PS)颗粒固-液界面上进行，沉积层厚度与前驱体TEOS的起始浓度和反应时间遵循以下关系：
d(t)=K[TEOS]01/2(1-exp(-kt))其中(1-exp(-kt))因子说明颗粒在固-液界面遵循一级线性增长规律；K[TEOS]n0部分反映了TEOS的水解动力学过程对颗粒粒径(单层沉积层厚度)的影响。这个关系式对合成球壁均匀、无团聚的中空SiO2球形颗粒具有指导意义。
在选定的反应参数(氨和水的浓度分别为0.14mol/L，1.48mol/L，TEOS的浓度为70mmol/L)，制备得到了一系列不同尺寸的中空SiO2球形颗粒，颗粒无团聚、尺寸均匀可控。
(3)中空SiO2球形颗粒的球壁微结构化研究
密实的球壁限制了中空无机球形颗粒在药物包埋、限位催化、微反应器等新领域的应用。因此，球壁的微结构化成为目前无机中空颗粒合成研究的热点之一。本文将硬模板法高效灵活的特点与软模板法在球壁微结构化的优势相结合，发展了一个聚合物胶体颗粒与表面活性剂组合的双模板路线，合成了结构可调节的“树莓”状分级结构(Hierarchical structure)的中空SiO2球形颗粒。这个方法实现了密实球壁-分级结构球壁-均匀介孔球壁的过渡，通过调节前驱体浓度和体系的pH值可以对球壁表面形貌和多孔体系进行调节。实验结果表明，在低pH值下(<10)，中空颗粒表面光滑密实；当pH值在10～12，主要是“树莓”状分级结构多孔颗粒；在高pH值下(>12)，主要形成表面光滑均匀的介孔球壁。
(4)中空SiO2球形颗粒在能源领域的应用探索
作为一类新型无机功能粉体，本文先将中空SiO2球颗粒粉体进行苯乙烯表面接枝聚合改性，然后与聚合物进行有机-无机复合，研究了亚微米中空SiO2球的有机-无机复合薄膜的隔热性能。初步实验结果表明，在无机固含量5％条件下，添加不同空腔尺寸的中空SiO2球的有机-无机复合薄膜表现出优异的隔热性能。常温常压条件下，它们的导热系数分别为(括号里为中空SiO2球的空腔直径)：0.051 W/K·m(358nm)，0.011 W/K·m(442nm)和0.027 W/K·m(719nm)。上述结果表明，亚微米中空球形颗粒在节能领域应用展示出广阔的市场前景。此外，多孔SiO2材料的一个重要的用途，是开发多孔碳材料。为此，本文作者尝试将在高碱性条件下得到均匀介孔球壁的介孔中空SiO2材料应用于开发新型锂离子可充电电池的碳负极材料。研究了负极碳材料的电化学性能。实验结果表明，在首次充放电循环，最大锂离子嵌入量为527.6mA·h/g，可逆容量约为157.1 mA·h/g。锂离子在多孔中空碳负极材料中的嵌入和脱嵌过程主要遵循纳孔嵌入-脱嵌机制，而不是石墨片层的插层机制。最后，基于多孔中空碳球的形态和结构，提出了负极碳材料锂离子嵌入-脱嵌过程机制模型。