多孔纳米材料及其应用

多孔纳米材料是一种特殊的纳米材料，具有更低的密度，更高的比强度和比表面积，更好的隔音、隔热、渗透性等，在某些领域的应用更具优势，具有很好的发展前景。本书基于多孔纳米材料的优势及重要性，主要介绍多孔纳米材料的基础知识和应用研究，着重介绍了7种多孔纳米材料的应用研究，对多孔纳米材料的应用具有现实的指导意义。本书具有以下两大特色： （1）内容全面，结构清晰 本书不仅介绍了多孔纳米材料的基础知识，而且分章介绍了7种多孔纳米材料的应用研究，内容全面，结构清晰。 （2）案例丰富，理论可靠 本书用7章介绍了7种多孔纳米材料的应用案例研究，每种应用研究都是经过实验过程、实验结果及讨论，得出结论，理论可靠，对多孔纳米材料的应用具有很强的指导意义。

纳米多孔材料在原子、分子和纳米尺度上存在着可控尺度的空隙， 具有重要的科研意义和应用价值。在过去十年中， 有关纳米多孔材料的合成、表征、功能化、分子建模和设计等的研究成果不断增多。生物传感器、药物传递、气体分离、能量存储和燃料电池技术、纳米催化和光子学等新兴应用的迅速发展也推动了这一领域的研究工作。
在人类生产生活中， 许多有害物质会通过多种渠道进入生态系统。这些物质在复杂的生化体系中扮演重要的角色， 但有些情况可能会危及生命， 因此检测以及去除这些有害物质具有重要意义。本书围绕亚硝酸盐和炭疽孢子标志物的检测、铜离子的去除以及微生物燃料电池废水处理等内容开展。
本书是详细介绍纳米多孔材料合成、表征及应用的学术专著。全书共分8章， 第1章概述了多孔纳米材料及相关领域的研究背景。第2章研究了磁性介孔二氧化硅的合成、表征及应用。第3章设计并合成了磁性核壳结构的亚硝酸根离子传感纳米复合材料。第4章重点合成了两个可回收的由磁性导向元件、二氧化硅分子筛支撑基质和罗丹明衍生物化学传感器组合而成的亚硝酸盐传感纳米材料。第5 章研究了一种用于炭疽孢子标志物DPA 光学传感的复合荧光传感器，以Eu（Ⅲ） 掺杂金属-有机骨架（MOF） 作为支撑晶格， 罗丹明衍生染料作为传感探针。第6 章提供了一种应用于微生物燃料电池（MFC） 的介孔二氧化硅/聚吡咯修饰石墨毡电极。第7 章制备了Fe3 O4 @MCM-41/MWCNT 纳米复合材料修饰MFC 石墨毡阳极， 研究了纳米材料对阳极性能的改性以及对MFC 功率密度和污水处理能力的影响。第8 章主要研究了微生物燃料电池阳极的Fe3 O4@SiO2 /MWCNT/PPy 纳米材料修饰优化对提高MFC 功率密度的影响， 并且进一步将MFC 与人工湿地结合提高废水处理能力。
本书得以完成要感谢在实验和数据处理过程中提供帮助的各位老师和同学， 在此对邵媛媛、马永山、朱艳艳、姜天翼、魏小锋、贾祥凤等老师， 王雅楼、韩泰森等同学表示深深的谢意。
本书中论述不完善或疏漏之处， 恳请同行专家和读者批评指正。

著者

全书围绕无机和有机多孔纳米材料的合成、表征及应用展开。内容涵盖磁性介孔二氧化硅吸附去除水中铜离子、可回收的磁性核壳结构亚硝酸盐荧光传感纳米材料研究、利用罗丹明分子功能化核壳结构纳米材料实现亚硝酸盐光学传感、罗丹明衍生物修饰的MOF 对炭疽生物指示剂的比色荧光传感响应、介孔二氧化硅/聚吡咯纳米材料修饰微生物燃料电池阳极、磁性核壳Fe3 O4@MCM-41/多壁碳纳米管复合材料修饰微生物燃料电池阳极性能研究、Fe3 O4 @SiO2 /多壁碳纳米管/聚吡咯修饰阳极的微生物燃料电池-人工湿地系统研究。理论新颖，内容全面，为多孔纳米材料的应用提供一定的理论指导。
本书可供从事纳米复合材料、污染物检测与处理、微生物燃料电池及相关交叉学科研究的人员参考使用。

第1章　绪论1
1.1　概述　/ 2
1.2　纳米多孔材料研究现状　/ 4
1.2.1　纳米磁性介孔材料研究背景　/ 4
1.2.2　金属有机骨架材料（MOF）研究背景介绍　/ 12
1.3　本书的主要内容　/ 19
1.3.1　磁性介孔二氧化硅吸附去除水中铜离子　/ 19
1.3.2　可回收的磁性核壳结构亚硝酸盐荧光传感纳米材料研究　/ 19
1.3.3　利用罗丹明分子功能化核壳结构纳米材料实现亚硝酸盐光学传感　/ 20
1.3.4　罗丹明衍生物修饰的MOF 对炭疽生物指示剂的比色荧光传感响应　/ 20
1.3.5　介孔二氧化硅/聚吡咯纳米材料修饰微生物燃料电池阳极　/ 20
1.3.6　磁性核壳Fe3 O4@MCM-41/多壁碳纳米管复合材料修饰微生物燃料电池阳极性能研究　/ 21
1.3.7　Fe3 O4@SiO2 /多壁碳纳米管/聚吡咯修饰阳极的微生物燃料电池-人工湿地系统研究　/ 21
参考文献　/ 21

第2章　磁性介孔二氧化硅吸附去除水中铜离子27
2.1　概述　/ 28
2.2　实验部分　/ 29
2.2.1　试剂与仪器　/ 29
2.2.2　溶液配制　/ 30
2.2.3　四氧化三铁纳米颗粒的制备　/ 30
2.2.4　磁性介孔二氧化硅（Fe3 O4@SiO2）的合成　/ 31
2.2.5　磁性介孔二氧化硅（Fe3 O4@SiO2）的表征　/ 31
2.2.6　磁性介孔二氧化硅吸附水中铜离子的实验　/ 31
2.3　结果与讨论　/ 32
2.3.1　磁性介孔二氧化硅的合成步骤及条件　/ 32
2.3.2　产物磁性　/ 34
2.3.3　样品形貌分析　/ 35
2.3.4　X 射线衍射（XRD）分析　/ 36
2.3.5　红外光谱（FT-IR）分析　/ 36
2.3.6　介孔结构分析　/ 38
2.3.7　铜离子标准曲线绘制　/ 38
2.3.8　pH 值对铜离子吸附效果的影响　/ 39
2.3.9　初始浓度对铜离子吸附效果的影响　/ 40
2.3.10　温度对铜离子吸附效果的影响　/ 42
2.3.11　吸附时间对铜离子吸附效果的影响　/ 43
2.3.12　最佳实验条件下铜离子吸附效果　/ 44
2.4　结论　/ 44
参考文献　/ 45
　
第3章　可回收的磁性核壳结构亚硝酸盐荧光传感纳米材料研究48
3.1　概述　/ 49
3.2　实验部分　/ 50
3.2.1　试剂与仪器　/ 50
3.2.2　化学传感器RB-NH2 和RSB-NH2 的合成　/ 51
3.2.3　支撑基质Fe3 O4 &GPTS 的构建　/ 52
3.2.4　Fe3 O4 &MCM-41&RB 和Fe3 O4 &MCM-41&RSB 的合成　/ 52
3.3　结果与讨论　/ 53
3.3.1　设计思路与形貌分析　/ 53
3.3.2　XRD 图、介孔结构和磁性特征　/ 56
3.3.3　红外光谱和TGA　/ 58
3.3.4　Fe3 O4 &MCM-41&RB 和Fe3 O4 &MCM-41&RSB的传感特性　/ 60
3.4　结论　/ 69
参考文献　/ 69

第4章　利用罗丹明分子功能化核壳结构纳米材料实现亚硝酸盐光学传感72
4.1　概述　/ 73
4.2　实验部分　/ 74
4.2.1　试剂和仪器　/ 74
4.2.2　RS-OH 和RB-OH 的合成　/ 74
4.2.3　RB-Si 和RS-Si 的合成　/ 76
4.2.4　支持矩阵MCM-41@Fe3 O4 的合成　/ 76
4.2.5　RB-MCM-41@Fe3 O4 和RS-MCM-41@Fe3 O4 的合成　/ 77
4.2.6　构建策略解释　/ 77
4.3　结果与讨论　/ 78
4.3.1　结构和形态分析　/ 78
4.3.2　XRD、介孔结构和磁响应　/ 79
4.3.3　红外光谱（IR）和热重曲线　/ 82
4.3.4　传感条件优化　/ 84
4.3.5　RB-MCM-41@Fe3O4 和RS-MCM-41@Fe3O4 的传感性能　/ 86
4.3.6　传感机制　/ 91
4.3.7　可回收性　/ 93
4.4　结论　/ 94
参考文献　/ 95

第5章　罗丹明衍生物修饰的MOF 对炭疽生物指示剂的比色荧光传感响应98
5.1　概述　/ 99
5.2　实验部分　/ 100
5.2.1　试剂与仪器　/ 100
5.2.2　传感探针前体RSPh 的合成　/ 100
5.2.3　发光稀土MOF EuBTC 的制备　/ 101
5.2.4　染料-MOF 复合结构的合成　/ 101
5.3　结果与讨论　/ 102
5.3.1　RSPh@EuBTC 的表征　/ 102
5.3.2　内滤效应对发射强度的修正　/ 107
5.3.3　RSPh@EuBTC 对DPA 的比色和比色荧光检测行为　/ 109
5.3.4　RSPh@EuBTC 对DPA 的实际传感性能　/ 115
5.4　结论　/ 117
参考文献　/ 118

第6章　介孔二氧化硅/聚吡咯纳米材料修饰微生物燃料电池阳极120
6.1　概述　/ 121
6.2　实验部分　/ 123
6.2.1　试剂与仪器　/ 123
6.2.2　介孔二氧化硅的合成　/ 123
6.2.3　MS-PPy 复合纳米材料的制备　/ 123
6.2.4　MS-PPy 复合纳米材料修饰石墨毡电极的制作　/ 124
6.2.5　微生物接种培养基　/ 124
6.2.6　质子交换膜的预处理　/ 124
6.2.7　微生物燃料电池构建　/ 124
6.3　结果与讨论　/ 125
6.3.1　纳米材料的表征　/ 125
6.3.2　MS-PPy 复合纳米材料修饰石墨毡电极的MFC 电化学性能测试　/ 126
6.3.3　微生物燃料电池性能测试　/ 128
6.4　结论　/ 130
参考文献　/ 130

第7章　磁性核壳Fe3O4@MCM-41/多壁碳纳米管复合材料修饰微生物燃料电池阳极性能研究133
7.1　概述　/ 134
7.2　实验部分　/ 136
7.2.1　试剂与仪器　/ 136
7.2.2　石墨毡阳极的构建　/ 137
7.2.3　MFC 阴极的制备　/ 138
7.2.4　质子交换膜的预处理　/ 138
7.2.5　微生物燃料电池的构建　/ 138
7.2.6　微生物燃料电池表征和性能测试　/ 138
7.3　结果与讨论　/ 139
7.3.1　SEM 和TEM 分析　/ 139
7.3.2　红外光谱（FT-IR）　/ 141
7.3.3　介孔结构分析　/ 142
7.3.4　石墨毡阳极的性能表征　/ 142
7.3.5　MFC 性能测试　/ 143
7.4　结论　/ 147
参考文献　/ 147

第8章　Fe3 O4@SiO2 /多壁碳纳米管/聚吡咯修饰阳极的微生物燃料电池-人工湿地系统研究149
8.1　概述　/ 150
8.2　实验部分　/ 152
8.2.1　试剂与仪器　/ 152
8.2.2　实验材料及溶液配制　/ 153
8.2.3　Fe3 O4@SiO2-NH2 纳米颗粒合成　/ 154
8.2.4　MFC 石墨毡阳极的构建　/ 155
8.2.5　实验装置　/ 155
8.2.6　外接电阻及数据采集和记录系统　/ 156
8.2.7　MFC-CW 系统的启动及运行　/ 156
8.2.8　材料和电极测试表征方法　/ 156
8.2.9　废水分析测试方法　/ 157
8.2.10　系统电流密度　/ 157
8.2.11　系统极化曲线及功率密度曲线　/ 157
8.3　结果与讨论　/ 157
8.3.1　吡咯聚合条件　/ 157
8.3.2　红外光谱（FT-IR）　/ 160
8.3.3　XPS 图谱　/ 161
8.3.4　石墨毡阳极的性能表征　/ 164
8.3.5　MFC 性能测试　/ 165
8.3.6　MFC-CW 系统性能测试　/ 167
8.4　结论　/ 171
参考文献　/ 172