一维纳米材料的直径可控制备及其生长机理与物性的研究

论文摘要

随着纳米科学与技术的发展及其研究的深入,一维纳米材料的优异性能和广阔的应用前景引发了广大科学工作者的极大兴趣。但是目前如何将一维纳米材料器件化并广泛应用于实际领域,还存在很多急需要解决和克服的技术问题。其中,发展直径可控合成技术以获得均一尺度的一维纳米材料体系,对于一维纳米材料的基本性质和探索其潜在应用是一条非常重要而又切实可行的途径。本工作选择采用脉冲电沉积技术在金属基板表面电沉积一层金属纳米晶材料作为催化剂,采取火焰法和热氧化法分别制备一维碳纳米材料和金属氧化物纳米针材料。通过调节脉冲电沉积的电沉积参数控制电镀纳米晶的晶粒尺度,进而实现一维纳米材料的直径可控制备。同时,本工作研究了该方法合成的一维纳米材料的物理性能及其生长机制,为一维纳米材料的应用和进一步研究提供了可能。全文共分十一章。第一章为绪论,介绍了本工作的来源、意义和所作的主要工作,综述了国内外在一维纳米材料、一维金属氧化物纳米材料、一维碳纳米材料、火焰法制备一维碳纳米材料等领域的研究和现状,以及进一步发展的趋势。脉冲电沉积技术与纳米科学与技术是两门不同的学科。本工作主要是利用脉冲电沉积技术制备金属纳米晶材料,用来催化制备一维纳米材料。为了体现脉冲电沉积技术与纳米科学与技术的交叉与渗透,本文在第二章简要的介绍了脉冲电沉积技术的基础知识,同时介绍了国内外采用脉冲电沉积技术制备金属纳米晶材料的研究和现状,以及发展趋势。金属纳米晶材料的制备是成功合成直径可控的一维纳米材料的重要前提和基础。本文在第三章详细的介绍了各种类型的电沉积金属纳米晶材料的电沉积工艺以及制备一维纳米材料的实验方案。第四章中介绍了我们首次采用液体染料火焰法,在不同材料的基板上成功的制备出了多种一维碳纳米材料:多壁碳纳米管、碳纳米纤维、阵列碳纳米管、螺旋碳纳米纤维等;研究了不同材料的基板对火焰法中一维碳纳米材料的形貌和结构的影响:金属元素Ni倾向于催化生长“空心”碳纳米管,而金属元素Fe则倾向于催化制备“实心”碳纳米纤维,并分别提出了相应的“空心”生长和“实心”生长模式;采用拉曼光谱研究了火焰法中不同结构的一维碳纳米材料的石墨有序度和晶化程度,首次在荧光光谱的高频阶段发现了荧光效应,这是由于本方法制备的一维碳纳米材料具有较多的缺陷和杂质等因素引起的。第五章和第六章中介绍了实现碳纳米管和碳纳米纤维的直径可控制备的方法。即,采用脉冲电沉积技术,在样品表面电沉积一层纳米晶Ni或Fe,在火焰中可分别制备出均一尺寸的碳纳米管或碳纳米纤维,同时,通过调节电源参数（输出脉冲频率f、占空比r ）来控制纳米晶镀层的形貌和尺寸,进而实现碳纳米管和碳纳米纤维的直径可控制备。同时,提出了本方法中制备碳纳米管的生长机制为“底部”生长模型。在第六章中,研究发现通过添加不同的添加剂,改变电沉积铁纳米晶的晶体结构可以分别实现平直和螺旋碳纳米纤维的制备。在空气中采用热氧化电沉积纳米晶Cu、Zn和Fe材料可以分别制备出一维CuO、ZnO、γ-Fe2O3纳米针材料,本文在第七章、第八章、第九章中分别做了详细的介绍和研究。同时,系统的研究了电沉积、热氧化温度、热氧化气氛等因素对一维纳米针材料制备的影响。第七章中研究发现Cu2O的形成对于一维CuO纳米针的形成至关重要;本研究首次采用“原位”电子显微镜手段测量了单根一维CuO纳米针材料的场致发射效应,同时,研究了CuO纳米针薄膜的场发射效应和染料敏化太阳能电池材料的性能研究。第八章对一维ZnO纳米针薄膜的场发射效应做了相应的研究。第九章中发现在一维γ-Fe2O3纳米针的中部和顶部区域出现调制结构,这是由于本方法中纳米针的生长方式造成的;同时,采用乙醇火焰法利用纳米针中元素Fe的催化作用在其表面上制备出碳包覆的纳米针复合材料。第十章研究了本方法中氧化作用对于一维金属氧化物纳米针材料的影响以及一维金属氧化物纳米针材料的生长和成核方式,同时,提出了本方法中一维金属氧化物纳米针的生长模式为电场辅助氧化的底部生长模式。第十一章是全文总结,最后简要的列出了作者在博士生期间的科研情况和公开发表的论文等。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 第一章 一维纳米材料及其研究现状与进展
• 1.1 概论、选题的意义及重要性
• 1.2 一维纳米材料
• 1.2.1 一维纳米材料的定义和分类
• 1.2.2 一维纳米材料的制备方法
• 1.2.3 一维纳米材料的特性
• 1.2.4 一维纳米材料的应用
• 1.3 一维金属氧化物纳米材料的研究现状与进展
• 1.3.1 一维金属氧化物纳米材料
• 1.3.2 一维金属氧化物纳米材料的制备方法
• 1.3.3 一维金属氧化物纳米材料的生长机制
• 1.3.4 一维金属氧化物纳米材料的物性及其应用
• 1.4 一维碳纳米材料的研究现状与进展
• 1.4.1 碳及一维碳纳米材料
• 1.4.2 一维碳纳米材料的制备方法
• 1.4.3 一维碳纳米材料的生长机制
• 1.4.4 一维碳纳米材料的物性及其应用
• 1.5 火焰法制备一维碳纳米材料
• 1.5.1 引言
• 1.5.2 火焰法制备一维碳纳米材料的研究现状
• 1.5.2.1 气体火焰法制备一维碳纳米材料的研究现状
• 1.5.2.2 液体火焰法制备一维碳纳米材料的研究现状
• 1.6 本研究工作的主要内容及创新点
• 1.6.1 火焰法中一维碳纳米材料的直径可控制备研究
• 1.6.2 在电沉积金属纳米晶基板上，采用热氧化法制备一维金属氧化物纳米针材料
• 1.7 本章小结
• 参考文献
• 第二章 脉冲电沉积金属纳米晶技术简介
• 2.1 引言
• 2.2 脉冲电沉积技术金属纳米晶
• 2.2.1 脉冲电沉积技术
• 2.2.1.1 脉冲电沉积技术及其原理
• 2.2.1.2 脉冲电沉积技术中影响金属纳米晶晶粒的因素
• 2.2.2 脉冲电沉积技术制备金属纳米晶的研究现状
• 2.2.3 脉冲电沉积技术制备金属纳米晶的应用
• 2.3 本章小结
• 参考文献
• 第三章 实验材料及方法
• 3.1 引言
• 3.2 实验材料
• 3.2.1 碳-氢化合物染料
• 3.2.2 基板材料
• 3.3 电沉积工艺
• 3.4 一维纳米材料的制备
• 3.4.1 基板材料预处理
• 3.4.2 脉冲电沉积金属纳米晶
• 3.4.3 一维碳纳米材料的制备
• 3.4.4 一维金属氧化物纳米针材料的制备
• 3.5 一维纳米材料的物性测量
• 3.6 主要实验仪器及设备
• 3.7 本章小结
• 参考文献
• 第四章 液体染料燃烧火焰法制备一维碳纳米材料及其生长机理研究
• 4.1 引言
• 4.2 液体火焰的温度场特征
• 4.3 基板催化剂材料对一维碳纳米材料形貌和结构的影响
• 4.3.1 关于碳纳米管和碳纳米纤维的定义
• 4.3.2 乙醇火焰法中含Ni 基板材料制备的燃烧产物
• 4.3.3 乙醇火焰法中含Fe 基板材料制备的燃烧产物
• 4.4 一维碳纳米材料的拉曼光谱表征
• 4.5 火焰法中一维碳纳米材料的生长机制
• 4.6 本章小结
• 参考文献
• 第五章 碳纳米管的直径可控制备及生长机理研究
• 5.1 引言
• 5.2 脉冲电沉积参数对金属Ni 纳米晶晶粒度的影响
• 5.3 脉冲电沉积参数对碳纳米管直径的影响
• 5.4 本方法中碳纳米管的生长机制
• 5.5 本章小结
• 参考文献
• 第六章 碳纳米纤维的直径可控制备及生长机理研究
• 6.1 引言
• 6.2 脉冲电沉积参数对金属Fe 纳米晶晶粒度的影响
• 6.3 脉冲电沉积参数对碳纳米纤维的直径的影响
• 6.4 螺旋碳纳米纤维的制备
• 6.5 本方法中碳纳米纤维的生长机制
• 6.6 本章小结
• 参考文献
• 第七章 热氧化法制备一维 CuO 纳米针阵列、及其微结构特征与物性的研究
• 7.1 引言
• 7.2 一维CuO 纳米针材料的热氧化法制备
• 7.3 一维CuO 纳米针材料的显微结构特征
• 7.3.1 纳米晶Cu 氧化前后的氧化产物的XRD 和XPS 特征
• 7.3.2 一维CuO 纳米针材料的微观结构特征
• 7.4 一维CuO 纳米针材料的物性研究
• 7.4.1 一维CuO 纳米针材料的场发射效应研究
• 7.4.2 一维CuO 纳米材料作为光敏染料太阳能电池的性能研究
• 7.5 本章小结
• 参考文献
• 第八章 热氧化法制备一维 ZnO 纳米针阵列、及其微结构特征与物性的研究
• 8.1 引言
• 8.2 一维ZnO 纳米针材料的热氧化法制备
• 8.3 一维ZnO 纳米针材料的显微结构特征
• 8.4 一维ZnO 纳米针材料的场发射特性研究
• 8.5 本章小结
• 参考文献
• 2O₃纳米针及其微结构特征的研究'>第九章 热氧化法制备一维γ-Fe₂O₃纳米针及其微结构特征的研究
• 9.1 引言
• 2O₃ 纳米针材料的热氧化法制备'>9.2 一维γ-Fe₂O₃纳米针材料的热氧化法制备
• 2O₃ 纳米针材料生长的影响'>9.2.1 电沉积纳米晶对一维γ-Fe₂O₃纳米针材料生长的影响
• 2O₃ 纳米针材料制备的影响'>9.2.2 热氧化温度对一维γ-Fe₂O₃纳米针材料制备的影响
• 2O₃ 纳米针材料制备的影响'>9.2.3 热氧化气氛对一维γ-Fe₂O₃纳米针材料制备的影响
• 2O₃ 纳米针材料的显微结构特征'>9.3 一维γ-Fe₂O₃纳米针材料的显微结构特征
• 2O₃ 纳米针材料的XRD 晶体结构特征'>9.3.1 一维γ-Fe₂O₃ 纳米针材料的XRD 晶体结构特征
• 2O₃ 纳米针材料的TEM 显微结构特征'>9.3.2 一维γ-Fe₂O₃ 纳米针材料的TEM 显微结构特征
• 2O₃ 纳米针材料的锥形结构的TEM 显微特征'>9.3.3 一维γ-Fe₂O₃ 纳米针材料的锥形结构的TEM 显微特征
• 2O₃ 纳米针材料的锥形结构HRTEM 显微特征'>9.3.4 一维γ-Fe₂O₃ 纳米针材料的锥形结构HRTEM 显微特征
• 2O₃ 纳米针材料的制备'>9.4 碳包覆一维γ-Fe₂O₃纳米针材料的制备
• 9.5 本章小结
• 参考文献
• 第十章 一维金属氧化物纳米针的生长机制研究
• 10.1 引言
• 10.2 氧化作用对一维金属氧化物纳米针生长的影响
• 10.3 本方法中一维金属氧化物纳米针的生长方式
• 10.4 本方法中一维金属氧化物纳米针的生长驱动力
• 10.5 本方法中一维金属氧化物纳米针的生长模型
• 10.6 本章小结
• 参考文献
• 第十一章 全文总结
• 11.1 一维碳纳米材料方面
• 11.2 一维金属氧化物纳米针材料方面
• 博士期间的科研情况和发表的论文
• 致谢
• 作者简历
• Curriculum Vitae