新的分级结构硅酸锌纳米材料及其铅离子吸附性能

三维分级多孔材料，因其同时具有纳米尺度很高的化学活性和微米尺度优异的物理稳定性，故而在催化、吸附以及能源等诸多领域有广阔的应用前景。然而，鉴于分级结构的复杂性，在无损情况下弄清楚其组装机理和组装结构，就成为一个重要课题。中国科学院化学研究所分子纳米结构与纳米技术院重点实验室宋卫国研究员领导的小组对花状及海胆状硅酸锌的结构和组装机理进行了深入研究，相关的研究成果发表在2012年第22期的《Journal of Materials Chemistry》上。

研究组通过简单地调节硅源和锌盐的比例，可控的制备出两种截然不同形貌的硅酸锌分级纳米材料：花状和海胆状（图1 a和b）。X射线衍射谱和固体核磁29Si等手段显示两种材料分属不同的晶体结构（图1 c和d）。此外，花状结构是由纳米片（花瓣）组装而成，每一个花瓣又具有新颖的层状结构（图1 a中插图）。

 

图1  a）花状硅酸锌的透描电子显微镜照片（插图：层状结构）；b）海胆状硅酸锌的扫描电子显微镜照片；c）和d）二者的X射线衍射谱与固体核磁29Si。

但是，海胆状硅酸锌的尺寸较大，常规的电镜表征手段难以看清其内部结构：扫描电子显微镜只能看清表面形貌，而透射电子显微镜的电子束又难以穿透样品（图2 a）。通常情况下，将样品通过外力弄破，可以间接知道其内部构造，从而猜测其组装机理。但是，这种破坏性的操作所引入的不确定性，又难以保证观察到的信息是真实的。利用北京同步辐射装置（BSRF）4W1A-X射线成像实验站获得的30 nm分辨率的海胆状硅酸锌的纳米CT结果（图2  b和c），可以实现无损情况下直接清楚的观察组装体的内部结构细节：疏松多孔的组装体内核，呈辐射状排列的组装单元以及未完美参与组装的悬挂单元。正是基于这些直接的实验事实，作者提出了最可能的组装机理：在溶液中，生成的棒状组装单元按辐射状排列，交合处形成疏松多孔的内核；同时，一些未参与组装的单元穿插在球体内。

 

图2 a）海胆状硅酸锌的透描电子显微镜照片；b）海胆状硅酸锌的纳米CT二维切片照片；c）海胆状硅酸锌的纳米CT三维重构照片。

这是国际上首次实现此种组装结构的清晰无损表征，给组装机理提供了最直接的证据。在这个研究工作中，同步辐射光源帮助该研究组揭开了复杂分级结构的面纱。这种材料在吸附水溶液中铅离子的试验中表现出优异的比吸附容量，对新型吸附剂的开发具有指导意义。材料的结构与性能间的紧密依存关系决定了更多复杂纳米材料的结构仍需要进行解析；更高分辨率的同步辐射装置将必定会有助于指导开发性能更优异的功能材料。