分级纳米结构的形貌合成及性质研究

论文摘要

近年来,通过化学方法构筑无机材料复杂的多维、多级纳米结构是有序物质科学中的重要进展。具有这类结构的材料往往表现出与常规材料不同的电学、磁学、光学、热学和力学等性质,为深入设计和研究新型纳米器件提供了物质基础,因此吸引了包括化学、物理学、生命科学等众多学科的研究兴趣。本论文旨在探索无机材料复杂多级纳米结构与性能之间的关系,并发展溶液相合成此类结构的新途径。详细内容归纳如下:（1）利用仿生矿化中表面活性剂的辅助刻蚀的方法模拟矿物在形成过程中的自然环境,合成出了具有特殊壳核结构的羟基磷酸铁。该结构不仅表现出一定程度的表面曲率,同时,该结构也成为已报道的众多晶体结构中新的一员,为研究纳米材料结构与性能的关系提供了新的素材。该核壳结构的形成是酸性诱导下的刻蚀与表活剂吸附保护在同一晶面上竞争的结果。通过大量的实验优化了反应的动力学因素,使得该结构具有良好的重复性、较高的产率和可操控性,为以后的性质研究提供了保证。（2）用水热法合成了具有{001}高度取向的Bi2S3纳米带。通过此法法合成的Bi2S3纳米带具有较的高产率、规则的形貌和良好的结晶性。通过观察生成过程中的中间产物,Bi2S3纳米带的形成可以概括为第一阶段的热力学控制下的生长和第二阶段下的动力学控制生长。通过实验证实在生长过程中防疫体系中的气/液界面对于带状的形成具有至关重要的作用。因此这一生长模型应该可以应用到其他硫化物的制备中。Bi2S3{001}、{100}和{010}面的功函数较高且表面结构单一,因此在构筑新型场发射器件上具有潜在应用。除此之外,Bi2S3纳米带表面催化及吸附等性能也同样值得关注。（3）通过水热法来一步合成了Bi2S3的网络结构,并对其形成过程和电学性质进行了研究。在这种网络结构的形成过程中,我们发现了其特殊的组装模式,即沿特定晶面的对称生长和取向附生。此方法不需要高温,也不需要任何模板,因此这种方法对其他硫族化合物的可控合成具有一定的借鉴意义。这种网络结构由于具有长程有序的结构,因此可以用来构建新颖的纳米器件,特别是场发射器件、光电器件等。（4）具有分支结构的m-BiVO4可以通过水热法在较低温度的条件下合成。合成过程中不需要添加任何表活剂、配体等成分,通过此法法合成的分支结构的m-BiVO4具有较的高产率、规则的形貌和良好的结晶性。通过观察其生成过程,分支结构的形成可以认为是m-BiVO4沿a,b,c轴方向生长速度不一致造成的。分支结构的m-BiVO4具有比传统方法制备的m-BiVO4块材更大的比表面,从而电子-空穴分散效率得到提高,因此表现出优异的光降解效率。分支结构的m-BiVO4还在乙醇和甲醛气体等有毒有害气体的检测上有潜在的应用,并且稳定性和可逆性都比较好。在做为锂离子电池阳极材料时,分支结构的m-BiVO4具有相对高的放电压和稳定的循环性能保持能力。（5）在碳酸盐的矿化过程中利用光解有机小分子合成了BaCO3分级结构。这种合成方法与以往研究碳酸盐仿生矿化所使用的方法不同,整个过程中不需要利用机添加剂来调节晶体的生长,而是利用光辐射分解有机小分子,一方面提供CO32-的来源,另一方面通过分解之后所产生的分子、离子的吸附吸附作用和中间产物的自组装,生成了具有分级结构的BaCO3。这种方法还具有普适性,其他具有分级结构的碳酸盐也可以通过这种途径来获得。此方法合成出来的BaCO3一般都具有多孔的结构,因此我们在其中填充了有机相变材料来测量其热学性能。结果表明,这种由有机相变材料填充的BaCO3多级结构表现出比较优秀的蓄热保温性能,可以作为将来“智能墙”有机相变材料的支撑体。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• §1.1 纳米科学技术概述
• §1.2 纳米材料的特异效应
• §1.2.1 量子尺寸效应
• §1.2.2 表面效应
• §1.2.3 小尺寸效应
• §1.2.4 宏观量子隧道效应
• §1.3 不同形貌纳米材料的制备
• §1.3.1 成核和晶体生长
• §1.3.2 多维、多级纳米结构的合成方法
• §1.3.2.1 溶胶-凝胶法
• §1.3.2.2 微乳液法
• §1.3.2.3 模板法
• §1.3.2.4 化学沉积
• §1.3.2.5 溶剂热/水热法
• §1.3.2.6 化学气相沉积
• §1.3.2.7 其他制备方法
• §1.3.3 有序纳米结构
• §1.3.3.1 有序纳米结构常见制备方法
• §1.3.3.2 有序纳米结构自组装的原理
• §1.4 纳米材料形貌对其物理、化学性质的影响
• §1.4.1 热学性质
• §1.4.2 磁学性质
• §1.4.3 光学性能
• §1.4.4 电学性质
• §1.4.5 力学性能
• §1.5 本章小节
• 参考文献
• 第二章 含铁磷酸盐在仿生矿化中的表面活性剂辅助刻蚀
• §2.1 合成思路的提出
• §2.2 实验部分
• §2.2.1 试剂和材料
• §2.2.2 样品制备
• §2.2.3 样品表征
• §2.3 结果与讨论
• §2.3.1 产物的物相、热稳定性分析
• §2.3.2 产物的形貌分析以及反应条件对形貌的影响
• §2.3.3 橄榄球核壳结构形成过程
• §2.4 本章小结
• 参考文献
• 2S₃一维带状结构及二维网络结构的构筑'>第三章 Bi₂S₃一维带状结构及二维网络结构的构筑
• §3.1 引言
• 2S₃一维带状结构的制备及电学性质研究'>§3.2 Bi₂S₃一维带状结构的制备及电学性质研究
• §3.2.1 引言
• §3.2.2 实验部分
• §3.2.2.1 试剂和材料
• §3.2.2.2 样品制备
• §3.2.2.3 样品表征
• §3.2.3 结果及讨论
• §3.2.3.1 样品物相、形貌分析
• 2S₃纳米带的形成过程'>§3.2.3.2 Bi₂S₃纳米带的形成过程
• 2S₃纳米带场发射性能研究'>§3.2.3.3 Bi₂S₃纳米带场发射性能研究
• §3.2.4 本节小节
• 2S₃二维带带状结构的构筑'>§3.3 Bi₂S₃二维带带状结构的构筑
• §3.3.1 引言
• §3.3.2 实验部分
• §3.3.2.1 试剂和材料
• §3.3.2.2 样品制备
• §3.3.2.3 样品表征
• §3.3.3 结果及讨论
• §3.3.3.1 样品表征
• 2S₃网络结构的可控生长'>§3.3.3.2 Bi₂S₃网络结构的可控生长
• 2S₃网络结构形成过程分析'>§3.3.3.3 Bi₂S₃网络结构形成过程分析
• 2S₃网络结构的电学性质研究'>§3.3.3.4 Bi₂S₃网络结构的电学性质研究
• §3.3.4 本节小节
• 参考文献
• 第四章 无表活剂辅助的钒酸盐、碳酸盐分级结构的形成及性能研究
• §4.1 引言
• §4.2 钒酸铋分支结构的制备及其光学、电学性质研究
• §4.2.1 背景介绍
• §4.2.2 实验部分
• §4.2.2.1 试剂和材料
• §4.2.2.2 样品制备
• §4.2.2.3 样品表征
• §4.2.3 分析与讨论
• §4.2.3.1 样品表征
• 4分支结构的形成过程分析'>§4.2.3.2 m-BiVO₄分支结构的形成过程分析
• 4分支结构的光催化性能'>§4.2.3.3 m-BiVO₄分支结构的光催化性能
• 4分支结构的气敏性能'>§4.2.3.4 m-BiVO₄分支结构的气敏性能
• 4分支结构的锂离子电池性能'>§4.2.3.5 m-BiVO₄分支结构的锂离子电池性能
• §4.2.4 本节小结
• §4.3 光诱导下的碳酸钡、碳酸钙多级结构的形成
• §4.3.1 背景介绍
• §4.3.2 实验部分
• §4.3.2.1 试剂和材料
• §4.3.2.2 样品制备
• §4.3.2.3 样品表征
• §4.3.3 分析与讨论
• §4.3.3.1 丙酮酸、巴比妥酸光解原理
• 3的物相、形貌分析'>§4.3.3.2 缓冲和无缓冲条件下BaCO₃的物相、形貌分析
• §4.3.3.3 离子吸附效应
• §4.3.3.4 形成过程分析
• §4.3.3.5 碳酸盐在节能领域作为相变材料支撑材料的应用
• §4.3.3.6 利用该方法制备其他碳酸盐的拓展
• §4.3.4 本节小结
• 参考文献
• 附录:攻读博士期间完成的工作
• 致谢