介孔材料是指孔径介于2-50 nm的一类多孔材料。由于其高比表面积、有序孔道、孔径分布连续可调等特点,在吸附、分离、催化、电极材料、光电器件、化学传感器、非线性光学材料等领域有重要的应用价值。多级结构介孔二氧化硅不仅在功能材料的制备和应用方面有重要的意义,而且与生物矿化、仿生材料化学研究密切相关,因此一直是介孔材料合成研究的热点。多级结构介孔材料的合成要求同时实现在纳米尺度上的介观结构、孔道排列、孔道尺度和微米尺度上的形态参数的控制,因此是材料合成中具有挑战性的研究课题。介孔材料的合成一般以双亲有机分子模板和无机物种相互作用组装为基础,但通常只能得到一些单一相态和简单形貌的介孔材料,难以实现不同空间领域的介观相态控制、多级孔结构和微米尺度上的复杂形貌控制。一些自然界中的生物矿物具有精巧的形貌和复杂的多级结构,而控制生物矿物沉积的过程往往是动态变化的有机质(种类和数量随矿化过程不断变化)调控的无机物矿化的过程。受此启发,本论文将有机模板的动态变化引入到介孔二氧化硅材料的制备中,探索新颖介观结构、复杂形貌和多级结构介孔二氧化硅的合成,并且利用氮气吸附,X-射线衍射(XRD),X-射线小角散射(SAXS),扫描电镜(SEM),透射电镜(TEM)等表征技术,研究了合成的介孔二氧化硅的介观结构、宏观形貌和形成机理。论文主要内容分为四部分：1)具有辐射孔道的纳米球形介孔二氧化硅(AMS)的合成以阴离子表面活性剂为模板,采用共结构导向剂方法,通过控制体系的pH值来控制阴离子表面活性剂的组装,成功地制备了具有辐射型孔道的介孔二氧化硅纳米球。球的尺寸和介观结构可以在一定pH值范围内(8.8-6.4)精细调节。调节合成体系的pH值,可以制备具有核-壳结构的各向异性形貌(椭球体,花生状,三叉形等)的介孔二氧化硅。核-壳结构的形成是由于核和壳内的介孔排列取向不同所导致的。当进一步降低pH值,形成洋葱状层状结构的介孔二氧化硅。实验证明,以阴离子表面活性剂为模板制备介孔二氧化硅体系中,形貌和结构受pH值影响很大。在这个合成体系中,有序结构的形成经历了长达数小时的有机-无机杂化体的自我调整,较阳离子表面活性剂制备介孔材料具有更长的调整时间。对于辐射孔形成机理,研究发现首先形成的是具有一定形貌的有机-无机杂化体,此阶段的杂化体为无序结构,随后表面活性剂-二氧化硅复合胶束经历自调整的过程,形成适应颗粒外部形貌的有序结构。自调整过程有利于新型有序介孔结构的形成,例如一维孔道的辐射型排列。2)具有辐射孔道的介孔二氧化硅空心球的超声辅助合成及其空化气泡模板机理通过在阴离子表面活性剂合成介孔二氧化硅体系引入超声波空化气泡,制备了分散的、形貌完整的空心结构介孔二氧化硅。介孔二氧化硅空心球直径在100-500nm,球壳很薄且厚度均匀,厚度为35-40 nm,球壳内的介孔为高度有序的辐射型排列。通过控制超声波的辐射时间、pH值及不同种类的添加剂可以有效的控制球壳的厚度和介观结构(六方、辐射或者无序)。超声空化气泡得到的介孔孔道大小均一、孔道短,这样有利于分子扩散和传输。同时由于合成中以氨基硅烷作为助表面活性剂,通过萃取去除模板机之后形成表面氨基功能化的介孔孔道。氨基功能化辐射孔道的空心球作为催化剂应用在Knoevenagel缩聚反应中,表现出很高的催化活性。对于空心结构介孔二氧化硅的形成,提出超声空化气泡为空心结构的模板,阴离子表面活性剂体系的有机-无机杂化体经历自调整形成有序辐射孔道的机理：首先超声空化气泡被阴离子表面活性剂体系的有机-无机杂化体包围,形成空心结构的有机-无机杂化体,随后经历杂化体内部胶束的自调整,形成了有序辐射型介孔孔道。超声空化气泡模板为空化气泡,较高分子、乳液、碳球等填充物为模板制备空心结构具有环境友好、步骤简单(不用除模板)和成本低的优点。3)放射虫形貌多级结构介孔二氧化硅的动态组装合成及其乳液模板机理设计了一种新的乳液体系来动态组装合成介孔二氧化硅多级结构空心球。为模拟生物矿化中有机质的动态产生,我们使用了一类长链烷基酰基氨基酸阴离子表面活性剂十二烷基氨酸钠。在十二烷基肌氨酸钠的水溶液中加入盐酸使得部分表面活性剂的羧酸根被质子化成为十二烷基肌氨酸(一种极性油),原来的溶液由于油滴的存在而形成乳液,这样表面活性剂先以油滴的方式被预存储。在加入氨基丙基三甲氧基硅烷(3-aminopropyltrimethoxysilane, APMS)和正硅酸乙酯(TEOS)后,由于在油滴的油水界面上发生羧酸与氨基的酸碱反应,表面活性剂从预存储的油相释放并输运扩散到水相,与硅源自组装为介观结构材料。在整个材料组装过程中,由于与氨基硅烷的作用表面活性剂从油相到水相释放,又作为模板与硅源自组装而被从溶液中耗散,因此表面活性剂从乳液油相的释放是一个动态的过程。通过这个动态的组装过程,我们得到了具有放射虫形态的多级结构介孔二氧化硅,球壳为蠕虫孔,脊刺为蠕虫孔壁的多泡室结构。辐射形脊刺的形成可能源于表面活性剂乳液油滴的自发乳化作用,即乳液油滴在外界作用下发生形变而分化为更小的油滴的过程。由于在我们的实验体系中,形成乳液的油滴不同于由非极性油形成的乳液油滴(如环己烷或三甲基苯),这些油滴实际上是质子化的阴离子表面活性剂,通过与有机胺的酸碱反应可以转化为离子化的表面活性剂分子而转入水相,从而动态地与硅源自组装成为多级结构,这个在油滴的油水界面上引起扩散和组装过程可能导致油滴界面形变而形成复杂的表面多级结构。以乳液为模版的动态组装方法,实现了表面活性剂的预存储和释放的动态过程,在表面活性剂不断扩散的动态过程中实现了多级结构和复杂形貌的合成。这种动态组装方法在制备多级结构材料方面具有潜在的应用,可以应用于其他多级结构材料的合成。4)以聚合物-表面活性剂介晶相为动态模板合成单晶状多级孔结构介孔二氧化硅SBA-1高分子聚电解质和带有相反电荷的表面活性剂可以自组装形成高度有序的介观结构的复合物(介晶)。我们采用聚丙烯酸(PAA)和阳离子表面活性剂(CTAB)形成的有序介观结构复合物介晶为模板制备了具有两种不同孔径大小的多级孔结构介孔二氧化硅SBA-1单晶颗粒。多级孔结构SBA-1单晶的形成源于聚合物一表面活性剂复合介晶的动态模板机理。与一般静态模板有所不同,PAA-CTA复合介晶模板与硅源组装过程中不仅仅引导了无机组分的介观有序结构,而在无机组分与有机相组装的同时,PAA从介晶模板中解离出来与硅源一胶束复合结构形成相分离。也就是说,在整个组装过程中,无机硅源与表面活性剂组装的动力学过程与PAA的相分离的动力学过程协同作用,这样初始状态PAA-CTA介晶颗粒的长程有序结构得以保留,并通过无机组分的引入而转变为Pm(?)n胛立方介观结构。而与此同时发生的聚合物相分离形成了PAA相域作为单晶颗粒中二次纳米孔的模板。因此PAA-CTA介晶在多级孔结构SBA-1单晶颗粒的合成中可以被称为动态模板。这种动态模板方法在其他多级结构单晶体的制备中将有潜在的应用,并且对复杂生物矿物的形成机理将有一定的指导意义。