第1章緒論1

1.1概述/ 2

1.2納米多孔材料研究現狀/ 4

1.2.1納米磁性介孔材料研究背景/ 4

1.2.2金屬有機骨架材料（MOF）研究背景介紹/ 12

1.3本書的主要內容/ 19

1.3.1磁性介孔二氧化硅吸附去除水中銅離子/ 19

1.3.2可回收的磁性核殼結構亞硝酸鹽熒光傳感納米材料研究/ 19

1.3.3利用羅丹明分子功能化核殼結構納米材料實現亞硝酸鹽光學傳感/ 20

1.3.4羅丹明衍生物修飾的MOF 對炭疽生物指示劑的比色熒光傳感響應/ 20

1.3.5介孔二氧化硅/聚吡咯納米材料修飾微生物燃料電池陽極/ 20

1.3.6磁性核殼Fe3 O4@MCM-41/多壁碳納米管復合材料修飾微生物燃料電池陽極性能研究/ 21

1.3.7Fe3 O4@SiO2 /多壁碳納米管/聚吡咯修飾陽極的微生物燃料電池-人工濕地繫統研究/ 21

參考文獻/ 21



第2章磁性介孔二氧化硅吸附去除水中銅離子27

2.1概述/ 28

2.2實驗部分/ 29

2.2.1試劑與儀器/ 29

2.2.2溶液配制/ 30

2.2.3四氧化三鐵納米顆粒的制備/ 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銅離子的實驗/ 31

2.3結果與討論/ 32

2.3.1磁性介孔二氧化硅的合成步驟及條件/ 32

2.3.2產物磁性/ 34

2.3.3樣品形貌分析/ 35

2.3.4X 射線衍射（XRD）分析/ 36

2.3.5紅外光譜（FT-IR）分析/ 36

2.3.6介孔結構分析/ 38

2.3.7銅離子標準曲線繪制/ 38

2.3.8pH 值對銅離子吸附效果的影響/ 39

2.3.9初始濃度對銅離子吸附效果的影響/ 40

2.3.10溫度對銅離子吸附效果的影響/ 42

2.3.11吸附時間對銅離子吸附效果的影響/ 43

2.3.12實驗條件下銅離子吸附效果/ 44

2.4結論/ 44

參考文獻/ 45



第3章可回收的磁性核殼結構亞硝酸鹽熒光傳感納米材料研究48

3.1概述/ 49

3.2實驗部分/ 50

3.2.1試劑與儀器/ 50

3.2.2化學傳感器RB-NH2 和RSB-NH2 的合成/ 51

3.2.3支撐基質Fe3 O4 &GPTS 的構建/ 52

3.2.4Fe3 O4 &MCM-41&RB 和Fe3 O4 &MCM-41&RSB 的合成/ 52

3.3結果與討論/ 53

3.3.1設計思路與形貌分析/ 53

3.3.2XRD 圖、介孔結構和磁性特征/ 56

3.3.3紅外光譜和TGA/ 58

3.3.4Fe3 O4 &MCM-41&RB 和Fe3 O4 &MCM-41&RSB的傳感特性/ 60

3.4結論/ 69

參考文獻/ 69



第4章利用羅丹明分子功能化核殼結構納米材料實現亞硝酸鹽光學傳感72

4.1概述/ 73

4.2實驗部分/ 74

4.2.1試劑和儀器/ 74

4.2.2RS-OH 和RB-OH 的合成/ 74

4.2.3RB-Si 和RS-Si 的合成/ 76

4.2.4支持矩陣MCM-41@Fe3 O4 的合成/ 76

4.2.5RB-MCM-41@Fe3 O4 和RS-MCM-41@Fe3 O4 的合成/ 77

4.2.6構建策略解釋/ 77

4.3結果與討論/ 78

4.3.1結構和形態分析/ 78

4.3.2XRD、介孔結構和磁響應/ 79

4.3.3紅外光譜（IR）和熱重曲線/ 82

4.3.4傳感條件優化/ 84

4.3.5RB-MCM-41@Fe3O4 和RS-MCM-41@Fe3O4 的傳感性能/ 86

4.3.6傳感機制/ 91

4.3.7可回收性/ 93

4.4結論/ 94

參考文獻/ 95



第5章羅丹明衍生物修飾的MOF 對炭疽生物指示劑的比色熒光傳感響應98

5.1概述/ 99

5.2實驗部分/ 100

5.2.1試劑與儀器/ 100

5.2.2傳感探針前體RSPh 的合成/ 100

5.2.3發光稀土MOF EuBTC 的制備/ 101

5.2.4染料-MOF 復合結構的合成/ 101

5.3結果與討論/ 102

5.3.1RSPh@EuBTC 的表征/ 102

5.3.2內濾效應對發射強度的修正/ 107

5.3.3RSPh@EuBTC 對DPA 的比色和比色熒光檢測行為/ 109

5.3.4RSPh@EuBTC 對DPA 的實際傳感性能/ 115

5.4結論/ 117

參考文獻/ 118



第6章介孔二氧化硅/聚吡咯納米材料修飾微生物燃料電池陽極120

6.1概述/ 121

6.2實驗部分/ 123

6.2.1試劑與儀器/ 123

6.2.2介孔二氧化硅的合成/ 123

6.2.3MS-PPy 復合納米材料的制備/ 123

6.2.4MS-PPy 復合納米材料修飾石墨氈電極的制作/ 124

6.2.5微生物接種培養基/ 124

6.2.6質子交換膜的預處理/ 124

6.2.7微生物燃料電池構建/ 124

6.3結果與討論/ 125

6.3.1納米材料的表征/ 125

6.3.2MS-PPy 復合納米材料修飾石墨氈電極的MFC 電化學性能測試/ 126

6.3.3微生物燃料電池性能測試/ 128

6.4結論/ 130

參考文獻/ 130



第7章磁性核殼Fe3O4@MCM-41/多壁碳納米管復合材料修飾微生物燃料電池陽極性能研究133

7.1概述/ 134

7.2實驗部分/ 136

7.2.1試劑與儀器/ 136

7.2.2石墨氈陽極的構建/ 137

7.2.3MFC 陰極的制備/ 138

7.2.4質子交換膜的預處理/ 138

7.2.5微生物燃料電池的構建/ 138

7.2.6微生物燃料電池表征和性能測試/ 138

7.3結果與討論/ 139

7.3.1SEM 和TEM 分析/ 139

7.3.2紅外光譜（FT-IR）/ 141

7.3.3介孔結構分析/ 142

7.3.4石墨氈陽極的性能表征/ 142

7.3.5MFC 性能測試/ 143

7.4結論/ 147

參考文獻/ 147



第8章Fe3 O4@SiO2 /多壁碳納米管/聚吡咯修飾陽極的微生物燃料電池-人工濕地繫統研究149

8.1概述/ 150

8.2實驗部分/ 152

8.2.1試劑與儀器/ 152

8.2.2實驗材料及溶液配制/ 153

8.2.3Fe3 O4@SiO2-NH2 納米顆粒合成/ 154

8.2.4MFC 石墨氈陽極的構建/ 155

8.2.5實驗裝置/ 155

8.2.6外接電阻及數據采集和記錄繫統/ 156

8.2.7MFC-CW 繫統的啟動及運行/ 156

8.2.8材料和電極測試表征方法/ 156

8.2.9廢水分析測試方法/ 157

8.2.10繫統電流密度/ 157

8.2.11繫統極化曲線及功率密度曲線/ 157

8.3結果與討論/ 157

8.3.1吡咯聚合條件/ 157

8.3.2紅外光譜（FT-IR）/ 160

8.3.3XPS 圖譜/ 161

8.3.4石墨氈陽極的性能表征/ 164

8.3.5MFC 性能測試/ 165

8.3.6MFC-CW 繫統性能測試/ 167

8.4結論/ 171

參考文獻/ 172

納米多孔材料在原子、分子和納米尺度上存在著可控尺度的空隙， 具有重要的科研意義和應用價值。在過去十年中， 有關納米多孔材料的合成、表征、功能化、分子建模和設計等的研究成果不斷增多。生物傳感器、藥物傳遞、氣體分離、能量存儲和燃料電池技術、納米催化和光子學等新興應用的迅速發展也推動了這一領域的研究工作。

在人類生產生活中， 許多有害物質會通過多種渠道進入生態繫統。這些物質在復雜的生化體繫中扮演重要的角色， 但有些情況可能會危及生命， 因此檢測以及去除這些有害物質具有重要意義。本書圍繞亞硝酸鹽和炭疽孢子標志物的檢測、銅離子的去除以及微生物燃料電池廢水處理等內容開展。

本書是詳細介紹納米多孔材料合成、表征及應用的學術專著。全書共分8章， 第1章概述了多孔納米材料及相關領域的研究背景。第2章研究了磁性介孔二氧化硅的合成、表征及應用。第3章設計並合成了磁性核殼結構的亞硝酸根離子傳感納米復合材料。第4章重點合成了兩個可回收的由磁件、二氧化硅分子篩支撐基質和羅丹明衍生物化學傳感器組合而成的亞硝酸鹽傳感納米材料。第5 章研究了一種用於炭疽孢子標志物DPA 光學傳感的復合熒光傳感器，以Eu（Ⅲ） 摻雜金屬-有機骨架（MOF） 作為支撐晶格， 羅丹明衍生染料作為傳感探針。第6 章提供了一種應用於微生物燃料電池（MFC） 的介孔二氧化硅/聚吡咯修飾石墨氈電極。第7 章制備了Fe3 O4 @MCM-41/MWCNT 納米復合材料修飾MFC 石墨氈陽極， 研究了納米材料對陽極性能的改性以及對MFC 功率密度和污水處理能力的影響。第8 章主要研究了微生物燃料電池陽極的Fe3 O4@SiO2 /MWCNT/PPy 納米材料修飾優化對提高MFC 功率密度的影響， 並且進一步將MFC 與人工濕地結合提高廢水處理能力。

本書得以完成要感謝在實驗和數據處理過程中提供幫助的各位老師和同學， 在此對邵媛媛、馬永山、朱艷艷、姜天翼、魏小鋒、賈祥鳳等老師， 王雅樓、韓泰森等同學表示深深的謝意。

本書中論述不完善或疏漏之處， 懇請同行專家和讀者批評指正。



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