表面活性剂体系中金属硫化物的控制合成及性质研究

论文摘要

金属硫化物纳米材料因为其独特的物理化学性质在催化、光电、气敏、磁性以及电池等领域有广泛的应用前景。因此制备具有新颖结构的金属硫化物纳米材料,并探索其生长机制,进而获得具有特定尺寸、形貌、维度、及物性的纳米材料,对于深入系统地研究纳米材料与性能的关系,最终实现按照人们的意愿实现纳米材料的组装、构建功能纳米结构体系具有重要意义。本论文就金属硫化物纳米材料在表面活性剂体系中调控合成与其相关性质进行了研究,并通过X射线衍射、透射电镜、扫描电镜等多种表征手段对纳米材料的形成机制、材料尺寸形貌等与性能之间的关系进行了有益探索。采用简单的湿化学路线在低温条件下,在F127溶液中合成了由六边形为底的锥体聚集形成的CdS晶体。研究表明所制备的三维结构CdS晶体的形成经历了聚集和定向生长的过程。而聚合物表面活性剂在成核和生长过程中起重要的作用。讨论了表面活性剂的浓度、表面活性剂、反应温度、反应物对形貌的影响。结果表明在不同长链表面活性剂体系中都能得到这种锥状聚集的CdS结构;随着反应温度的升高表面活性剂与CdS晶体的作用会减弱,使得聚集结构变得松散;使用不同的反应物对产物的形貌有巨大的影响。通过表面活性剂P123辅助溶液法,成功合成了喇叭花聚集成的花状CdS晶体,通过对产品的表征发现所得CdS为六方纤锌矿晶体结构,喇叭花状的花瓣沿[001]方向生长。通过研究反应条件的影响,发现反应的温度对产物的影响比较大,在160°C成功实现了树枝状结构的制备,当温度升高到190°C时,产物变成了粗糙的树叶状结构。此外反应物的比例对产物形貌也有极大的影响,在Cd的量偏多的时候,形成的都是花状晶体,但当硫脲的量偏多的时候,空心的花瓣变成实心结构,形成的是锥状聚集体。通过对反应过程的研究,给出了可能的反应机理,P123在反应中可能起分散剂和导向剂的作用。光催化降解实验表明这种花状结构的CdS晶体具有很好的催化降解效果,可能在污水处理等领域有一定的应用。在CTAB和AOT混合表面活性剂溶液中,以氯化镉作为镉源,硫代乙酰胺作为硫源,调节好表面活性剂的摩尔比,合成出棒状带枝丫的CdS晶体,考察了表面活性剂浓度、混合表面活性剂的摩尔比、反应温度、反应物起始浓度等对产物的影响。使用HRTEM对制备的枝丫状CdS中分叉部位进行了详细地观察,发现枝丫状CdS是由相同的晶面分别向不同方向生长而成。对棒状CdS的形成机理进行了初步探讨。研究发现CTAB和AOT形成的双层结构可能是导致棒状CdS生成的主要原因。当以醋酸镉为镉源、硫脲作硫源,在CTAB和AOT混合表面活性剂溶液中,制得了海胆状的CdS晶体,考察了表面活性剂浓度、混合表面活性剂的摩尔比、反应温度和反应物起始浓度对产物的影响。并对海胆状CdS的形成机理进行了研究。通过一个简单、经济、无模板、一步法合成具有中空结构的CdIn2S4微球。而且微球的表面是由许多三维双锥体结构聚集形成的。对实验参数的研究发现160°C下反应16 h是生成这种三维结构微球的最佳条件。同时溶剂对产物形貌的影响也很大。在F127和CTAB的溶液中反应,产物变成分散的双锥体和片花状。通过对反应过程的研究给出了可能的机理,产物的生成可能是个先聚集再熟化的过程。产物经紫外漫反射光谱和荧光发射光谱测定有较强的吸收和较强的发射峰,可能会在光电领域有一定应用。利用水和N,N-二甲基甲酰胺作溶剂,采用溶剂热法制备了中空球形NiS晶体。通过对反应机理的研究,发现反应开始时L-半胱氨酸和Cd2+能形成球状络合物,空心结构的NiS晶体的形成是以此为模板经历了成核和Ostwald熟化的过程。实验研究发现反应物的种类和比例直接影响产物的形貌。为制备中空结构提供了一个很好的思路。在加入不同种类的表面活性剂后得到的多为实心球形结构的NiS晶体。将此NiS晶体在高温下煅烧,可制得NiO空球结构。经光降解品红实验研究发现,该中空球形NiO晶体具有良好的光催化降解性能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 纳米材料
• 1.1.1 纳米材料的发展历程
• 1.1.2 纳米材料的基本单元及其分类
• 1.2 纳米材料的性质和应用
• 1.2.1 纳米材料的四个物理特性
• 1.2.2 纳米材料的特殊性质
• 1.3 纳米材料的应用前景
• 1.3.1 纳米技术在化工领域的应用
• 1.3.2 纳米技术在陶瓷领域方面的应用
• 1.3.3 纳米技术在微电子学上的应用
• 1.3.4 纳米技术在医学上的应用
• 1.3.5 纳米技术在光电领域的应用
• 1.3.6 纳米技术在磁性材料上的应用
• 1.4 金属硫化物纳米材料的制备
• 1.4.1 气相法
• 1.4.2 固相法
• 1.4.3 液相法
• 1.5 表面活性剂在纳米材料合成中的应用
• 1.5.1 表面活性剂及其分子有序组合体
• 1.5.2 表面活性剂在纳米材料制备中的应用进展
• 1.6 本文的选题依据、研究内容、研究成果及创新之处
• 参考文献
• 第二章 F127 水体系中六边锥状 CdS 亚微米球的制备
• 2.1 前言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 主要原料
• 2.2.2 样品制备
• 2.2.3 样品表征
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 产物的结构与形貌
• 2.3.2 产物生长机理研究
• 2.3.3 反应温度的影响
• 2.3.4 表面活性剂的影响
• 2.3.5 反应物种类的影响
• 2.3.6 产物的荧光和 Raman 光谱性质研究
• 2.4 本章小结
• 参考文献
• 第三章 P123水体系中花状CdS晶体的制备
• 3.1 前言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 主要原料
• 3.2.2 样品制备
• 3.2.3 样品表征
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 产物结构与形貌
• 3.3.2 产物的生长机理研究
• 3.3.3 反应温度的影响
• 3.3.4 反应物比例的影响
• 3.3.5 产物的光谱性质研究
• 3.3.6 光催化性能研究
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 第四章 CTAB/AOT水体系中棒状CdS晶体的制备
• 4.1 前言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 主要原料
• 4.2.2 样品制备
• 4.2.3 样品表征
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 产物的结构与形貌
• 4.3.2 产物的生长机理研究
• 4.3.3 反应温度的影响
• 4.3.4 反应物比例的影响
• 4.3.5 CTAB 和AOT 摩尔比的影响
• 4.3.6 表面活性剂的影响
• 4.3.7 棒状CdS 产物的光谱性质研究
• 4.3.8 光催化性能研究
• 4.4 本章小结
• 参考文献
• 第五章 CTAB/AOT水体系中海胆状CdS晶体的制备
• 5.1 前言
• 5.2 实验部分
• 5.2.1 主要原料
• 5.2.2 样品制备
• 5.2.3 样品表征
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 产物的结构与形貌
• 5.3.2 产物生长机理研究
• 5.3.3 CTAB 和AOT 摩尔比的影响
• 5.3.4 反应物比例的影响
• 5.3.5 反应温度的影响
• 5.3.6 产物的光谱性质研究
• 5.4 本章小结
• 参考文献
• 第六章 表面活性剂调控 Cd111254 晶体的制备：水热法
• 6.1 前言
• 6.2 实验部分
• 6.2.1 主要原料
• 6.2.2 样品制备
• 6.2.3 样品表征
• 6.3 结果与讨论
• 6.3.1 产物的结构与形貌
• 6.3.2 产物的生长机理研究
• 6.3.3 反应温度的影响
• 6.3.4 反应溶剂的影响
• 6.3.5 表面活性剂对产物形貌的影响
• 6.3.6 Cd111254 微球的光谱性质研究
• 6.4 本章小结
• 参考文献
• 第七章 表面活性剂调控 NiS 晶体的制备：溶剂热法
• 7.1 前言
• 7.2 实验部分
• 7.2.1 主要原料
• 7.2.2 样品制备
• 7.2.3 样品表征
• 7.3 结果与讨论
• 7.3.1 产物的结构与形貌
• 7.3.2 产物的生长机理研究
• 7.3.3 反应溶剂比例对产物形貌的影响
• 7.3.4 反应物摩尔比及不同反应物的影响
• 7.3.5 表面活性剂对 NiS 产物的影响
• 7.3.6 由 NiS 制得 NiO 产物的结构与形貌
• 7.3.7 NiO 的光催化性能研究
• 7.4 本章小结
• 参考文献
• 结论
• 攻读博士学位期间发表学术论文和会议论文
• 致谢