钙铝石(Ca12A114033)是CaO-A1203二元体系中一种具有笼状晶体结构、极具应用前景的功能材料,具有良好室温稳定性、容易掺杂各种金属离子,实现绝缘体向导体的转变,在电子器件、电化学、催化、传感元件等诸多领域具有重要应用前景。多孔块体材料因其具有独特的孔道结构已被广泛应用于过滤、分离、吸附、电化学、光电器件等领域。因此,结合钙铝石特殊的晶体结构和多孔块体的微观形貌,开发多孔钙铝石块体材料,对扩展钙铝石的应用领域,尤其在离子及气体检测领域的应用具有重要意义。本文综合论述了溶胶-凝胶伴随相分离法制备多孔块体和钙铝石材料的研究现状及发展趋势,采用溶胶-凝胶伴随相分离法制备钙铝石多孔块体,对所制得的钙铝石进行氧化还原处理并得到了具有导电性能的多孔钙铝石材料,讨论了孔结构对其电学性能的影响,揭示其导电机理;对多孔钙铝石块体材料进行稀土元素掺杂,分析了掺杂多孔钙铝石块体的荧光性能及其对银(Ag+)离子及铅(Pb2+)离子的检测;对多孔钙铝石块体材料进行四苯乙烯(TPE)负载,考察了负载TPE钙铝石多孔块体对于甲醛气体的检测性能;建立了钙铝石多孔块体材料的可控制备及掺杂负载机理,研究为多孔钙铝石块体材料的制备及应用提供重要的理论基础。主要研究内容和结论如下:(1)多孔钙铝石块体材料的可控制备。以无机盐氯化铝和氯化钙及硝酸铝和硝酸钙为前驱体,乙二醇(EG)作为螯合剂,以甲酰胺(FA)作为干燥控制剂,环氧丙烷(PO)为凝胶促进剂,聚乙二醇(PEO)(Mw=1 ×105)为相分离诱导剂,水和乙醇为溶剂,采用溶胶-凝胶伴随相分离法制备了多孔钙铝石块体材料。在最佳反应物条件下,通过协同控制体系相分离过程和溶胶-凝胶转化,可得到具有贯通大孔和共连续骨架结构的钙铝石块体材料;在1100℃C热处理后转变为钙铝石晶型Ca12A114O32Cl2或Ca12A114033,同时大孔结构得到保留,热处理前后多孔钙铝石块体均具有较窄的孔径分布;氯盐体系与硝酸盐体系钙铝石热处理后块体的孔隙率分别为77.43%和76.03%。(2)多孔钙铝石块体材料的氧化还原及其导电机理。以氧气气氛热处理的方式对钙铝石进行氧化处理,并以氢化钙为还原剂、使用接触还原法对多孔钙铝石多孔块体进行还原处理,多孔钙铝石块体从绝缘体向导体转变;还原后多孔钙铝石的孔隙结构得到完好的保留,由于失去了较强电负性阴离子的束缚作用,大量束缚电子转变为自由电子,从而得到具有良好导电性能的多孔钙铝石块体电子化合物,载流子浓度可达1.996×1018 cm-3;对其进行铬(Cr)元素的掺杂后,在保留多孔结构的同时,进一步提高其电学性能,最终得到载流子浓度可达1019量级的导电多孔钙铝石块体材料。(3)多孔钙铝石块体材料的稀土掺杂及其对金属离子的检测。对多孔钙铝石块体进行铽(Tb3+)、铕(Eu3+)离子的掺杂,在保留共连续大孔结构的同时,得到了具有优异荧光性能的多孔钙铝石块体材料;稀土离子结合到晶格中并取代Ca2+离子的位置并且不会破坏C12A7的晶格结构,并且具有很好的高温稳定性;Tb3+离子和Eu3+离子掺杂钙铝石的荧光寿命分别可达2584.24 μs和2143.7 μs;获得的多孔C12A7:Tb3+材料对Ag+具有敏感响应,对于检测Ag+离子有非常好的应用前景;得到的多孔C12A7:Eu3+可以应用于荧光传感器领域,多孔C12A7:Eu3+传感器对Pb2+离子有良好的响应,其浓度(CPb)和荧光强度(F)之间的关系可以用线性方程计算(F0-F)/F0=1.4 1 2+0.3428Log10(CPb)。(4)多孔钙铝石块体材料的TPE负载及其对甲醛检测。采用物理渗透的方法将TPE负载到多孔钙铝石块体的骨架表面,研究了负载TPE多孔钙铝石块体的荧光性能。获得的负载多孔钙铝石块体对甲醛气体有良好的检测响应,最小检测时间为10 min,并且在0-100 ppm甲醛浓度范围内荧光强度随浓度的减小呈较好的线性关系;此甲醛检测材料可以循环使用,在空气中放置一段时间即可恢复检测性能。