天然氨基酸-高岭土插层复合材料制备及质子电导性质

来源 :南京工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:hanyuanji2008
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超分子化学又被叫做主-客体化学,它的研究对象是分子间包含的弱相互作用(氢键、π…π、p…π和范德华力等)以及分子间弱相互作用诱导的分子识别。插层组装化学指的是利用主客体相互作用的原理,定向和有效的制备特定结构和功能性质的插层化合物,是获得新材料的有效途径之一。  高岭土是一种天然存在的1∶1型层状硅酸盐矿物,高岭土结构中每层分别由硅氧四面体层和铝氧八面体层组成。连续双层之间通过弱氢键和范德华力相结合。高岭土晶体层间可插入各种客体分子,且当其层间插层有机分子后,既能保持矿物的理化性质,又具有了插层官能团的活性。高岭土插层复合物作为一种新型的有机-无机复合材料,在生物材料、高效催化剂、新型导电材料、环保材料等领域有着非常良好的应用前景。  质子电导材料作为一种质子传输的固体电解质,在传感器件以及燃料电池等领域有着广泛应用。质子导体按照工作温度的不同可分为高温、中温及低温质子导体。传统的质子电导材料如Nafion等在上世纪六十年代即已被成功商用,但由于其工作温度偏低?其无法应用到更多场景,故仍需不断寻找新型的工作温度更为宽泛的质子导体。随着实际应用要求的不断提高,以及对该领域研究的不断深入,更多新型的质子导体不断涌现,如基于金属有机框架(MOFs)的质子导体逐渐被研究者关注并被广泛研究。但是,在质子电导性质研究方面,高岭土插层复合物所受到的关注还比较少。  在本论文工作中,我们选择了两种天然氨基酸(L-a-丙氨酸和甘氨酸)作为插层剂,采用简单的溶液搅拌法,通过二次取代制备了高岭土-丙氨酸插层复合物(K-Ala)及高岭土-甘氨酸插层复合物(K-Gly)两种复合材料。通过X-射线粉末衍射(XRD)、红外光谱(IR,4000-400 cm-1)、热重分析(TGA)及扫描电镜(SEM)等现代分析技术对两个插层高岭土杂化材料进行了表征。和高岭土原土相比,高岭土插层复合物的内羟基和内表面羟基伸缩振动频率发生较大变化。在此基础上,我们进一步研究了高岭土插层材料的质子传导性质。在无水条件下,35℃时,K-Ala的电导率最大为8.31×10-8S·cm-1,而在100℃时,K-Ala质子电导率为9.90×10-10 S·cm-1,相差两个数量级,这可能与高岭土层间所含的水受热失去有关。当其被暴露在较高相对湿度环境中,其质子电导率迅速增大。在相对湿度99%,温度为45℃时,K-Ala的电导率为2.1×10-3 S·cm-1,与目前已被广泛研究的MOFs类质子导体电导率相当,通过阿伦尼乌斯方程拟合得到其活化能为0.99 eV,表明其质子传输遵循车载机理。在无水条件下,K-Gly的电导率非常小,这可能是由于其层间并不存在水分子导致所插层的甘氨酸分子无法电离,从而无法进行质子传输造成的。但是在有水条件下,K-Gly的电导率迅速增加,且随着相对湿度增加而变大。在相对湿度99%,温度为45℃时,K-Gly的电导率为9.7×10-3 S·cm-1,表明水的存在对其电导率影响非常大。  本论文对于设计与合成新型的具有高质子电导率的插层复合材料具有一定的指导与借鉴意义。
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