基于层状双羟基复合金属氧化物构筑结构取向薄膜及其性能研究

论文摘要

本论文基于取向纳米结构功能薄膜构筑的科学本质而展开,希望探索出一种简单的合成方法,并以此为基础制备一大类取向纳米结构功能薄膜。在这种思想的指导下,本论文针对层状双羟基复合金属氧化物（Layered Double Hydroxides,LDHs）展开研究,以无机材料LDHs为前体,分别制备得到LDHs、复合金属氧化物（Mixed Metal Oxide,MMO）和尖晶石等一系列取向纳米结构薄膜。具体的研究内容如下:1.采用本实验室专利技术“成核/晶化隔离法”制备了粒径均匀、尺寸小的LDHs纳米粒子,利用其“边-边”和“面-面”作用经简单的溶剂蒸发法制备了一系列纳米结构LDHs薄膜,所得薄膜大片连续透明,具有（00l）取向性。通过改变LDHs层板金属及层间阴离子的组成实现了LDHs薄膜功能的调变。将具有发光性能的稀土配合物阴离子引入LDHs层间,详细研究了插层产物的热分解行为和发光性能。2.以（00l）取向的NiAl-LDH薄膜为前体,利用LDHs的结构拓扑效应经高温焙烧制备了大面积连续的介孔NiAl-MMO薄膜。随着焙烧温度的升高,薄膜中NiAl-LDH首先转化为Al掺杂的NiO相,继续升高焙烧温度开始有NiAl2O4相生成,Al掺杂的NiO薄膜变为NiO/NiAl2O4相互掺杂的薄膜。NiAl-MMO薄膜经高温焙烧后仍然保持NiAl-LDH薄膜的透明性和宏观形貌,且具有（111）取向性、高的热稳定性和窄的孔径分布。依托该有序薄膜体系,详细研究了LDHs向MMO转变的拓扑效应,在加热的过程中NiAl-LDH的（00l）和（110）晶面分别向NiO的（111）和（220）、NiAl2O4的（111）和（440）晶面转变。通过改变焙烧温度、升温速率和LDHs纳米粒子的尺寸对NiAl-MMO薄膜的介孔结构进行了调控,其中焙烧温度对薄膜介孔结构的影响最为明显。500℃下制备的薄膜中NiO纳米粒子的尺寸较小（约6 nm）,其纳米效应导致薄膜具有铁磁性,NiO纳米粒子有序排列使得薄膜具有磁各向异性。将介孔NiAl-MMO薄膜用于以甲级橙为探针的有机污染物去除研究,其去除能力由薄膜的比表面决定,NaOH处理有利于提高薄膜对甲级橙的去除性能。3.以（00l）取向的NiAl-LDH薄膜为前体经高温焙烧制备（111）取向的NiO/NiAl2O4薄膜,将其中的NiO相选择性溶蚀后得到了（111）取向大孔NiAl2O4尖晶石薄膜。改变焙烧温度可调变NiAl2O4纳米粒子的尺寸和薄膜的大孔结构。将焙烧温度由950℃提高到1100℃,薄膜中NiAl2O4纳米粒子沿（111）晶面的尺寸由22.7nm增大到32.7nm,相应地其结晶程度增加,缺陷减少。同时,伴随着焙烧温度的升高,薄膜的比表面减小,孔径增大,孔分布变宽。总之,本论文围绕LDHs前体法制备取向纳米结构功能薄膜的科学本质而展开,分别制备了LDHs、MMO和尖晶石等一系列取向纳米结构薄膜,并依托该有序薄膜体系详细研究了从LDHs到MMO转变的拓扑效应,能够进一步促进水滑石类材料的研究和应用。该方法不需要模板、有机试剂或单晶基片进行诱导生长,方法简单,对设备要求低,是一种具有广阔应用前景的制备取向纳米结构功能薄膜的技术。通过改变LDHs前体的组成、焙烧温度等条件实现了MMO和尖晶石薄膜的纳米结构控制;利用LDHs材料组成可调的特点,通过对LDHs纳米粒子进行分子设计可实现LDHs、MMO和尖晶石薄膜功能性的调变,有望实现其在催化、磁性、分离、发光和传感器等领域的广泛应用。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 论文选题的目的与意义
• 1.2 LDHs层状材料的结构与性质
• 1.2.1 LDHs的结构
• 1.2.2 LDHs的制备方法
• 1.2.3 LDHs的性质
• 1.2.4 LDHs的应用
• 1.3 LDHs薄膜的研究现状
• 1.3.1 LDHs薄膜的制备方法
• 1.3.2 LDHs薄膜的应用研究
• 1.4 无机薄膜概述
• 1.4.1 无机薄膜的制备技术
• 1.4.2 取向MMO薄膜介绍
• 1.4.3 取向大孔尖晶石薄膜介绍
• 1.5 纳米结构功能薄膜的表征手段
• 1.6 论文的主要研究内容
• 第二章:LDHs纳米结构薄膜的构筑和结构研究
• 2.1 引言
• 2.2 试验部分
• 2.2.1 实验药品及仪器
• 2.2.2 样品制备
• 2.3 LDHs纳米粒子的可控制备
• 2.3.1 "成核/晶化隔离法"制备NiAl-LDH纳米粒子
• --LDH纳米粒子尺寸的控制'>2.3.2 NiAl^--LDH纳米粒子尺寸的控制
• 2.3.3.LDHs纳米粒子组成的调控
• 2.4 LDHs纳米薄膜结构研究
• 2.4.1 取向透明ZnAl-LDH薄膜
• 2.4.2 LDHs薄膜组成的控制
• 2.5 LDHs纳米粒子组装机理研究
• 2.5.1 自组装方法简介
• 2.5.2 LDHs纳米粒子有序自组装机理
• 2.6 LDHs薄膜的应用研究
• 2.6.1 稀土配合物插层LDHs粉体结构研究
• 2.6.2 稀土配合物插层LDHs粉体发光性能研究
• 2.6.3 取向LDHs薄膜发光性能研究
• 2.7 本章小结
• 第三章:利用LDHs的结构拓扑效应构筑取向介孔MMO薄膜
• 3.1 引言
• 3.2 试验部分
• 3.2.1 实验药品及仪器
• 3.2.2 样品制备
• 3.3 NiAl-MMO薄膜的构筑和结构研究
• 3.3.1 NiAl-LDH纳米结构薄膜
• 3.3.2 NiAl-LDH薄膜热分解行为研究
• 3.3.3 大片连续透明的NiAl-MMO薄膜
• 3.3.4 NiAl-MMO薄膜取向结构研究
• 3.3.5 NiAl-MMO热稳定性研究
• 3.3.6 NiAl-MMO薄膜微观结构研究
• 3.3.7 NiAl-MMO薄膜介孔结构研究
• 3.4 NiAl-MMO薄膜介孔结构调控
• 3.4.1 焙烧温度对薄膜孔结构的影响
• 3.4.2 升温速度对薄膜介孔结构的影响
• 3.4.3 NiAl-LDH尺寸对薄膜介孔结构的影响
• 3.4.4 NiAl-MMO薄膜孔结构数据的拟和
• 3.5 LDHs拓扑转变机理研究
• 3.5.1 引言
• 3.5.2 理论分析
• 3.5.3 实验结果
• 3.5.4 拓扑机理示意图
• 3.6 NiAl-MMO薄膜的应用研究
• 3.6.1 NiAl-MMO薄膜磁各向异性研究
• 3.6.2 NiAl-MMO薄膜去除污染物的研究
• 3.7 本章小结
• 第四章:采用无模板法构筑取向大孔尖晶石薄膜
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 实验药品及仪器
• 4.2.2 样品制备
• 4.3 取向大孔尖晶石薄膜的结构研究
• 4.3.1 尖晶石薄膜取向结构研究
• 4.3.2 尖晶石薄膜微观结构研究
• 4.3.3 尖晶石薄膜大孔结构研究
• 4.4 尖晶石薄膜的溶蚀条件研究
• 4.4.1 1000℃焙烧后NiAl-MMO薄膜溶蚀研究
• 4.4.2 950℃焙烧后NiAl-MMO薄膜溶蚀研究
• 4.4.3 1100℃焙烧后NiAl-MMO薄膜溶蚀研究
• 4.5 尖晶石薄膜的大孔结构调控
• 4.5.1 焙烧温度对尖晶石薄膜微观形貌的影响
• 2O₄纳米粒子的HRTEM分析'>4.5.2 NiAl₂O₄纳米粒子的HRTEM分析
• 4.5.3 焙烧温度对尖晶石薄膜大孔结构的影响
• 4.6 本章小结
• 第五章 结论
• 论文创新点
• 致谢
• 研究成果及发表论文情况
• 作者简历
• 导师简历
• 参考文献