论文摘要
纳米结构材料常具有许多传统材料所不具备的光、电、磁和化学性质,在磁记录、电子元件、生物医学、传感器以及工业催化等诸多重要技术领域有着广泛的应用前景,而成为当今材料研究的热点之一。本论文正是在这一研究背景下,致力于设计和构筑新的自组装纳米结构,并对他们的结构和性质进行详细的研究,同时利用多种实验技术实现了对体系中功能纳米单元的尺寸、形貌、组成和结构的控制,为构建基于这些功能纳米单元的纳米器件提供了相关实验方法与理论基础。本论文采用了改进的水热/溶剂热和多元醇介导合成方法制备了具有多维形貌与结构的氧化物,并对他们的性质和应用进行了详细的研究。其主要内容如下:一、我们在水热反应的条件下,利用CTA+和Zn（OH）42-的自组装,合成了具有剑麻状的三维ZnO新型纳米结构,表面活性剂CTAB的浓度以及Zn2+/OH-的摩尔比是形成分散性好的高纯度的ZnO纳米结构的主要因素。合成方法简单快速,产量高,而且反应温度区域大。根据考察不同CTAB浓度、Zn2+/OH-的摩尔比和不同反应时间和反应温度的影响,提出了生成这种纳米结构的机理。最终产物用XRD,SEM,TEM,HRTEM,SAED,和PL技术进行表征和测试。这种剑麻状的三维ZnO纳米结构不仅可以作为制作功能纳米或微米器件的理想材料,而且其合成方法同样可以应用到其他两性氧化物如氧化铝纳米结构的合成。二、采用异辛醇为还原剂,通过表面活性剂辅助的水热反应合成了新的一维层状MnO2组装结构,这种组装结构含有少量的γ-Mn2O3杂质。XRD,SEM,TEM,HRTEM,和XPS对样品进行了表征,用超导量子磁强计（SQUID）测试了样品的磁性。实验结果表明异辛醇,聚乙二醇400,氢氧化钾的浓度和反应时间是影响纳米线束生长的重要因素。这种纳米组装结构的生长机理也被详细研究。超导量子磁强计测试表明样品在32K以下显示典型的铁磁性质,而在32K以上则显示顺磁行为。这种性质使得样品可以作为磁性纳米器件的理想材料。本合成方法不仅适用于合成各种氧化物纳米材料,而且还可以扩展到金属或合金一维纳米结构的制备或组装。三、采用了简单的一步反应法制备了由3-5nm的CeO2纳米粒子组装而成的中孔纳米球组装结构。该纳米结构产量高,分散性好,尺寸分布均匀。利用TEM,SEM,FTIR,XRD等技术观察了产物的形貌、考察了产物的生长过程,提出了产物由二维的圆盘状生长为零维的具有中孔结构的纳米球生长机理。这种中孔结构CeO2纳米球组装结构及其负载金纳米粒子后的混合体系不仅对CO的催化氧化显示了优越的性能,而且还可能应用到诸如生物化学等其他重要领域。四、将纳米中孔CeO2粒子用作过氧化物酶模拟酶,考察了pH、温度和H2O2浓度和反应时间对其催化氧化活性的影响,得到了显示其最高催化活性的最佳条件。并在最佳条件下,将其用于模拟过氧化物酶来检测H2O2的浓度,结果表明这种有3-5nm组装而成的CeO2纳米粒子作为过氧化物酶模拟酶有着较高的催化活性,在检测H2O2的应用中显示出超强的能力, 5×10-9mol/L的H2O2都可以被检测到,灵敏度较高。更重要的是,利用这种球状的二氧化铈纳米中孔结构,还可以高灵敏度和高选择性的来检测葡萄糖,5×10-7mol/L的葡萄糖都可以被检测到,线性范围为1×10-6到1×10-4。由于CeO2中孔纳米粒子制备简单,而且可以在更加苛刻的条件下代替自然酶。构建的过氧化氢和葡萄糖的测试平台不仅充分证明了CeO2中孔纳米粒子具有过氧化物酶模拟酶的特性,而且还可能同样在其他应用领域如生物传感器,显示其卓越的性能。五、采用一种改进的水热/溶剂热技术,借助表面活性剂的作用下,大量合成了尺寸和形貌均一的四氧化三铁单晶纳米带。仔细讨论了各种实验条件如时间、温度、表面活性剂和水热/溶剂热成分对产物形貌的影响,提出了这种单晶四氧化三铁纳米带的生成机理。用超导量子磁强计考察了纳米带的磁性。并将其用于模拟过氧化物酶来检测过氧化氢的浓度,结果表明这种很薄的单晶纳米带在检测过氧化氢的应用中显示出超强的能力, 2×10-7mol/L的过氧化氢都可以被检测到,线性范围为5×10（-7）到1×10-5。更重要的是,利用这种带状的四氧化三铁纳米结构,还可以高灵敏度和高选择性的来检测葡萄糖,5×10-8mol/L的葡萄糖都可以被检测到,线性范围为1×10-5到1×10-3。由于四氧化三铁纳米带制备简单,而且可以在更加苛刻的条件下代替自然酶。构建的过氧化氢和葡萄糖的测试平台不仅充分证明了四氧化三铁纳米带具有过氧化物酶模拟酶的特性,而且还可能同样在其他应用领域如生物传感器或生物分离分析显示其卓越的性能。六、利用硫酸亚铁为原料,采用表面活性辅助的水热反应合成了形貌均一的、自组装的、四氧化三铁纳米带组装结构。通过简单的煅烧反应以后,得到了γ-Fe2O3和α-Fe2O3两种纳米带组装结构,样品的形貌没有发生大的变化。详细研究了这种纳米组装结构的生长过程,提出了可能的生长机理,并发现正壬醇在这种纳米组装结构的形成过程中起着至关重要的作用。这些氧化物纳米组装结构在水处理中显示出了较强的去除水中有机污染物的能力。经分离后,在空气中灼烧可以再生吸附剂,吸附剂可以循环使用,有望用于污水处理剂或其他应用领域。