金、铂纳米结构形状控制合成及其生长机制研究

论文摘要

贵金属及其材料因具有独特的物理、化学性质和重要应用而在国民经济、国防建设及社会发展中起着重要作用,既是国防建设中的战略物资,又是社会可持续发展的关键材料。而贵金属纳米材料因纳米结构固有量子尺寸效应、表面效应和界面效应的有效叠加,无疑会使这些材料的特性发生新的、质的飞跃。贵金属纳米材料的性能与其尺寸和形貌密切相关,因此形貌和尺寸控制合成贵金属纳米粒子的研究是目前纳米材料领域研究的热点。本文采用紫外辐射法制备了不同形貌和尺寸的金纳米粒子,在有机液相溶液中通过热化学还原法制备了不同形貌贵金属铂纳米粒子以及铂铅合金纳米棒。采用紫外辐射法,研究了溶液pH值对金纳米粒子生长过程的影响。发现在低pH条件下,粒子直接由团簇生长形成颗粒,并且粒子的尺寸和形貌分布不均。当溶液接近中性条件时,粒子的生长经过了形核生长—团聚—聚集体瓦解—生长的过程,同时也伴随着粒子形貌和尺寸的变化。利用紫外-可见吸收光谱表征了粒子形貌转变过程中光学性质的变化。在高pH条件下,粒子的生长仍旧遵循形核—长大的生长过程。探讨并解释了不同pH条件下粒子生长机制。当采用连续的紫外辐射法时,发现在保护剂PVP存在条件下,所制备的粒子直径约为2 nm,无PVP存在时,高浓度的柠檬酸会导致金纳米片的形成。当增加辐射时间,减小柠檬酸的浓度时,粒子形貌出现了一系列由球形—三维珊瑚状—网状—多孔片状—完整片状的转变过程,并通过TEM,HRTEM,紫外可见光谱等表征手段,发现并提出了片状金纳米粒子的形成和生长过程中存在的自修复机制。有机液相热化学还原法是合成具有特殊结构纳米粒子的最有效的方法之一。通过改变反应参数,如温度,保护剂和还原剂种类,反应时间等,制备了具有不同表面类型的铂纳米粒子。当优化反应条件后,合成了形貌独特的多臂三维铂纳米粒子,这种三维结构的Pt纳米粒子可以自组装形成多孔的网状结构,是一种良好的纳米器件的“建筑”模块,并在燃料电池领域有极富潜力的应用价值。采用铂基合金纳米粒子是目前提高燃料电池催化剂性能的重要手段。通过有机液相热化学还原法,合成了立方和六方相的铂/铅纳米棒。实验发现,纳米棒生长初期形成的是Pt元素占优的立方相纳米棒,随着反应时间的增加或反应温度升高,这种立方相结构的PtPb纳米棒逐渐转变为六方相结构。粒子相的转变伴随着形貌和长径比的变化:反应时间增加,温度升高粒子长径比变小。结合XRD,HRTEM和EDX的表征结果,分析并探讨了粒子形貌和相转变机制。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 贵金属纳米材料的特性及应用
• 1.2 贵金属纳米粒子的光学性能—SPR 光谱及其应用
• 1.2.1 贵金属纳米粒子的磁性能
• 1.2.2 贵金属纳米粒子的催化性能及其应用
• 1.3 贵金属纳米材料的制备和表征—尺寸和形貌控制合成
• 1.3.1 几种常见的贵金属纳米结构
• 1.3.2 贵金属纳米粒子形貌控制方法
• 1.3.3 紫外辐射法制备贵金属纳米粒子
• 1.3.4 尺寸和形貌控制合成贵金属合金纳米粒子
• 1.4 本文的研究目的、意义及研究内容
• 2 紫外辐射诱导合成金纳米粒子及其形态控制
• 2.1 前言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 实验试剂与仪器
• 2.2.2 紫外辐射制备与表征
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 溶液pH 值对金纳米粒子紫外辐射生长的影响
• 2.3.2 连续紫外辐射诱导合成尺寸可控的金纳米粒子
• 2.3.3 连续紫外辐射诱导合成金纳米片
• 2.3.4 连续紫外辐射诱导合成二维和三维多孔金纳米结构及其形貌转变
• 2.4 本章小结
• 3 金纳米结构的形貌转变机制
• 3.1 前言
• 3.2 结果与讨论
• 3.2.1 紫外辐射诱导的金纳米结构转变
• 3.2.2 金纳米结构转变过程中的自修复机制
• 3.3 本章小结
• 4 有机液相合成胶体铂纳米粒子：形貌控制及表征
• 4.1 前言
• 4.2 实验部分
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 纳米粒子液相形核生长的基本理论
• 4.3.2 液相形核过程中的尺寸和形貌控制
• 4.3.3 有机液相介质中Pt 纳米粒子生长的影响因素
• 4.3.4 多臂Pt 纳米粒子的结构表征
• 4.4 本章小结
• 5 Pt/Pb 双金属化合物纳米棒的合成及其低温相变
• 5.1 前言
• 5.2 实验部分
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 PtPb 双金属化合物纳米粒子的形貌控制合成
• 5.3.2 PtPb 纳米棒的结构分析
• 5.3.3 PtPb 纳米棒的生长机制探讨
• 5.4 本章小结
• 6 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 读学位期间取得的研究成果