生物矿化是生物活体生产制造矿物的一个过程,受多种有机质的调控,生物大分子通过有机-无机界面的分子识别,在晶体形核、生长以及结构的有序组装等方面起着关键作用。许多生物矿物质都具有多级孔结构,复杂的孔结构与其功能密切相关。本论文的工作致力于将生物矿化启示应用于多级孔分子筛的构筑中。分子筛作为具有规则微孔的晶体材料,被广泛地应用于催化、吸附、分离领域。然而其小于2 nm的微孔,严重阻碍了分子的扩散,降低了分子筛的使用效率。因此,多级孔分子筛的结构设计与合成是现代分子筛材料广受关注的研究领域。本论文借鉴自然界生物矿化的启示,选用多糖自组装体为框架模板,构筑以纳米管为结构基元的多级孔分子筛。研究内容包括以下几个方面。(1)以BC为框架模板,首次得到以分子筛纳米管为基元,具有三维网络结构的ZNTS ZSM-5。分子筛纳米管交联贯通,管壁由70 nm的分子筛晶粒孪生而成,晶粒之间有2 nm的介孔,纳米管内外空间可以通过晶粒间的介孔直接连通。分子筛纳米管的内径为90 nm,在晶化过程中自发形成。通过跟踪ZNTS ZSM-5晶化过程,发现中空纳米管的形成过程符合Kirkendall effect,并根据此原理成功地在30-90 nm范围内调节了纳米管内径。(2)ZNTS ZSM-5表现出优异的催化性质。由于ZNTS ZSM-5具有开放式三维网络结构,高的比表面积(380 m2g-1),优异的机械强度(0.73 MPa),连通的四级孔道结构,有利于分子的扩散。因此在MTH反应中展现出比传统ZSM-5更优异的催化性质。具体表现为低的积碳速率(1.0 mgh-1g-1)与长的催化寿命(80 h,WHSV=8 h-1)。说明这种具有以纳米管为基元的三维网络结构的分子筛有利于分子的扩散,提高了分子筛的利用效率。(3)将BC框架模板构筑分子筛纳米管气凝胶的方法拓展到了TS-1与Silicalite-1的合成中。构筑了具有三维网络结构的ZNTS TS-1与ZNTS S-1。拓展多糖框架模板的种类,以壳聚糖凝胶为框架模板构筑出ZNTS S-1(Ch),具有以纳米管为基元的三维网络结构,大孔尺寸为2000 nm。以上说明以多糖框架模板构筑分子筛纳米管气凝胶的方法具有一定普适性。(4)调整纤维素框架模板的孔结构,获得具有不同大孔尺寸的分子筛材料。将纤维素溶解后再生,通过改变溶液中纤维素的含量(2 wt%,3 wt%,5 wt%),调整再生纤维素气凝胶的大孔尺寸,并以此为框架模板构筑ZNTS S-1(RC),ZNTS S-1(RC)的大孔尺寸在1-10μm范围内可调。(5)调整分子筛的晶化方法,获得具有不同介孔结构特征的分子筛材料。以BC为框架模板,改变晶化方式为水热晶化,得到ZNTS S-1(L)具有以纳米管为基元的三维网络结构,纳米管内径约50-100 nm,管壁由尺寸为70×160 nm的分子筛晶粒紧密孪生而成,纳米管内外空间不能直接连通,ZNTS S-1(L)的介孔孔体积与ZNTS S-1相比有明显的降低。以BC为介孔模板,改变晶化策略,老化处理分子筛前驱物框架,水热处理老化过的前驱物,得到NP S-1。NP S-1为分散生长的分子筛纳米晶粒,晶粒内部有BC纤维形成的圆柱形介孔孔道,孔径尺寸15-35 nm,与BC纤维直径大小一致。(6)受BC保护菌体机制的启发,以具有类似BC网络结构的多级孔分子筛为载体固载过氧化氢酶。过氧化氢酶的固载量与载体的外比表面积与介孔结构有关,固定化酶的热稳定性与载体的孔结构及热导系数有关。ZNTS S-1有高的过氧化氢酶固载量,固定化酶表现出高的热稳定性,50℃下可以保持50 h。ZNTS S-1自支撑的块体结构,易于酶的回收再利用,重复使用12次后酶活力保持在50%以上。