生物分子辅助水热溶剂热技术制备纳米硫化物半导体

论文摘要

以CdS、ZnS、NiS、Ag2S、MnS、PbS等为代表的金属硫化物半导体纳米材料具有合适的带隙及优良高效的光响应活性，在发光器件、传感器、太阳能电池尤其光催化领域具有巨大的应用价值。生物分子具有独特的结构和自组装特性，是合成复杂结构纳米材料较为理想的生长模板剂之一。近年来，利用生物分子作为模板及硫源辅助合成具有特殊结构的纳米硫化物材料成为功能材料制备领域的研究热点。本文旨在利用生物分子辅助水热/溶剂热技术制备了硫化锰、硫化镍等纳米硫化物材料，并考察了其相转变和形貌演化的内在规律。主要研究内容及创新点如下：（1）采用水热合成技术、分别以醋酸锰作锰源、L-胱氨酸作硫源兼结构导向剂，在低温下合成了多角状γ-MnS纳米六棱柱棒。通过调控醋酸锰与L-胱氨酸的摩尔比、反应温度、反应时间以及适量添加剂的加入均可实现对产物形貌及晶相的有效控制。并依据“Ostwald ripening”生长理论对γ-MnS多角状结构的形成机制进行解释。另外，研究发现该多角状结构γ-MnS具有较强的光学活性，当以358nm作为激发波长时，得到419nm的发射峰。（2）在合成γ-MnS的基础上，通过向水中添加少量的乙二胺，以L-胱氨酸作硫源兼结构导向剂，在低温溶剂热条件下成功制备了α-MnS的实心球结构。该制备方法是基于传统合成路线上的一大突破，实现了纯相α-MnS低温条件下的可控合成，从节能环保的角度来讲，具有很大的潜在应用价值。（3）采用溶剂热技术、分别以硫脲和硝酸镍作硫源和镍源、乙二醇作反应溶剂，在表面活性剂丙烯酰胺的协助下控制合成了立方相NiS2、六方相α-NiS和菱形β-NiS空心微球，利用XRD及TEM对产物进行表征。通过调控丙烯酰胺与硝酸镍的摩尔比可以实现对硫化镍产物晶相和形貌连续有效的控制；最后结合异相成核和翻转机理解释了β-NiS空心球结构的形成机制。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 金属硫化物半导体纳米材料的性质及应用
• 1.1.1 金属硫化物半导体纳米材料简介
• 1.1.2 金属硫化物半导体纳米材料的基本特性
• 1.1.3 金属硫化物半导体纳米材料的应用
• 1.1.3.1 太阳能电池
• 1.1.3.2 紫外光传感器
• 1.1.3.3 荧光探针
• 1.1.3.4 光催化制氢
• 1.2 金属硫化物半导体纳米材料的制备
• 1.2.1 化学气相沉积技术
• 1.2.2 溶胶凝胶技术
• 1.2.3 微乳液技术
• 1.2.4 水热\溶剂热技术
• 1.3 生物分子辅助制备金属硫化物半导体纳米材料
• 1.3.1 生物模板法简介
• 1.3.2 典型的生物模板
• 1.3.3 生物模板在制备过渡金属硫化物微\纳米材料中的应用
• 1.4 材料的表征
• 1.4.1 X-射线粉末衍射测试 （XRD）
• 1.4.2 红外光谱测试 （IR）
• 1.4.3 透射电镜测试红 （TEM）
• 1.4.4 选区电子衍射 （SAED）
• 1.4.5 扫描电镜测试 （FESEM）
• 1.4.6 能谱分析 （EDX）
• 1.4.7 荧光光谱测试 （PL）
• 1.5 本论文选题意义及主要研究内容
• 2 L-胱氨酸辅助水热技术制备硫化锰半导体材料
• 2.1 多角状γ-MnS 的可控性制备及机理研究
• 2.1.1 实验部分
• 2.1.1.1 主要化学试剂及仪器
• 2.1.1.2 多角状γ-MnS 的制备
• 2.1.1.3 材料的表征仪器及测试条件
• 2.1.2 结果与讨论
• 2.1.2.1 产物的 XRD 及 EDX 分析结果
• 2.1.2.2 产品的 SEM、TEM 及电子衍射照片
• 2.1.2.3 γ-MnS 产品的荧光谱图分析
• 2.1.2.4 反应时间对产物形貌的影响
• 2.1.2.5 反应温度对产物晶相及形貌的影响
• 2.1.2.6 反应物摩尔比对产物晶相及形貌的影响
• 2.1.2.7 NaOH 浓度的改变对产物形貌的影响
• 2.1.2.8 反应物摩尔浓度的改变对产物形貌的影响
• 2.1.2.9 反应物溶剂的改变对产物晶相及形貌的影响
• 2.1.3 多角状γ-MnS 的形成机制
• 2.1.3.1 反应前体的 EDX 和 IR 分析
• 2.1.3.2 γ-MnS 多角状结构的形成机制
• 2.1.4 小结
• 2.2 α-MnS 微米材料低温条件下的合成及形貌表征
• 2.2.1 实验部分
• 2.2.1.1 主要化学试剂及仪器
• 2.2.1.2 α-MnS 微米材料的制备
• 2.2.1.3 材料的表征仪器及测试条件
• 2.2.2 结果与讨论
• 2.2.2.1 产品的 XRD 及 EDX 结果分析
• 2.2.2.2 α-MnS 的 SEM、TEM 照片
• 2.2.2.3 乙二胺的量对产物晶相组成的影响
• 2.2.2.4 反应时间对产物晶相组成的影响
• 2.2.3 小结
• 3 丙烯酰胺辅助溶剂热技术合成硫化镍纳米粉体
• 3.1 实验部分
• 3.1.1 主要化学试剂及仪器
• 2、α-NiS 和β-NiS 的制备'>3.1.2 NiS₂、α-NiS 和β-NiS 的制备
• 3.1.3 材料的表征仪器及测试条件
• 3.2 结果与讨论
• 3.2.1 丙烯酰胺对产物的晶相及形貌的影响
• 3.2.2 反应时间对产物晶相及形貌的影响
• 3.2.3 β-NiS 空心球结构的生长机理探究
• 3.3 小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢