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仿生合成法是受生物矿化过程启示而发展起来的新方法,是一种绿色的化学合成方法。植物体内以及琼脂凝胶中含有的生物有机基团,为无机材料的成核提供了位点,并为进一步合成无机晶体提供了良好的模板。利用绿色合成的方法清除污水里的重金属离子并合成无机材料,反应条件温和,操作简单,反应过程无毒害产物生成,且原料廉价易得,具有广阔的应用前景。本论文选用廉价、繁殖快、生命力强的水花生和水葫芦作为清除重金属离子污染的原料和反应模板,在植物体内原位仿生合成无机光电材料。同时还探讨了采用生物有机模板合成无机材料的优势、合成机理和应用价值。 本论文的主要研究内容如下: 1.水花生含有大量的蛋白质、脂肪和纤维素等生物分子。其根茎能够吸收水体中铅、镉、铜等重金属离子,且水花生对Pb2+的富集能力很强。本论文在室温下研究了水花生吸收 Pb2+的特性,并且在其体内仿生合成了PbSO4的纳微米晶体。通过原子吸收光谱(AAS)跟踪检测,考察了水花生对Pb2+的吸收随着反应时间的变化情况。对反应后水花生根部,茎部和叶片分别进行洗涤和煅烧处理,获得的沉淀物采用X-衍射(XRD),红外光谱(FT-IR),扫描电镜(SEM),透射电镜(TEM)进行表征。结果表明吸收了Pb2+的水花生根茎生成了立方体形和船形的PbSO4晶体,而叶片中形成的晶体含量很少,说明水花生对重金属离子Pb2+的积累主要集中在其根部和茎部。 2.利用水葫芦净化污水成本低廉、节约能源、简便易行、效果独特,是一个新兴的生态项目。水葫芦活体对水体中重金属离子Cd2+的吸收能力较强,耐受性也较高,且其根部是主要吸收部位。本论文在常温常压下考察了水葫芦对不同浓度Cd2+的吸收情况以及CdS纳微米晶体在其体内的仿生合成。通过对不同浓度Cd2+溶液中水葫芦的生长率的计算,表明在水葫芦的耐受范围内,其生长率随着 Cd2+的浓度的增大而增加。通过原子吸收光谱测定了水葫芦对不同浓度 Cd2+的吸收量以及吸收率随着时间的变化情况。由TEM，SEM测试的结果可以得知在水葫芦根部有花生状的CdS纳微米晶体生成,并且随着水中Cd2+浓度的增加,获得的CdS晶体的尺寸也有所增大。XRD分析说明生成的CdS属于纤锌矿结构六方晶系,且晶体主要沿(002)面生长。荧光光谱(PL)表明在该体系中制备的CdS晶体具有良好的发光特性,具有一定的应用前景。本论文进一步探讨了CdS晶体的生长机理,为利用植物体进行污水后处理、仿生合成无机材料提供了一定的借鉴和启示作用。 3.琼脂凝胶是一类具有三维网络结构的有机大分子,琼脂大分子的侧链上含有大量的羟基,醚基和醛基,这些基团对碳酸钙晶体的形貌和性能都将产生重要的影响。FT-IR的变化揭示了改变琼脂凝胶浓度以及反应物浓度,都仅出现了方解石型碳酸钙的特征吸收峰。X-衍射结果揭示凝胶体系中生成的方解石型碳酸钙晶体主要沿(104)面生长。SEM结果表明生成了棒状和球形方解石型碳酸钙,且随着反应介质琼脂凝胶浓度的改变,晶体的形貌和尺寸发生了变化。碳酸钙与琼脂凝胶分子形成了分形形态的复合物,并且随着反应时间和琼脂凝胶浓度的增加,分形的尺寸也逐步增加。