几种无机纳米材料的合成、表征及应用

论文摘要

纳米材料以其奇特理化性质和在化学化工、环境、生物材料、生物医学等领域的巨大应用潜力，而成为了国际研究的前沿热点领域。近些年来，探索纳米材料结构与性能的关系、研究简单可行的纳米材料的化学合成方法、开发纳米材料新的应用等纳米研究领域成为了人们关注的焦点。在本论文中，综合应用模板法、溶剂热法、水热法等这些成熟方法的基础上，实现了对几种纳米材料、形貌、尺寸及分布的良好控制，并且对其结构进行了表征与分析。我们还进一步研究了所合成的不同结构纳米材料的锂离子电池性能、气敏性能、电化学传感性能，并且分析了纳米材料结构与其性能的关系。其主要内容包括：在第二章中，我们采用共沉淀法将金属锡离子沉积在棉花纤维模板上，再经过高温去模板成功制备了介孔SnO2纤维。将其应用于锂离子电池负极材料发现其具有高的可逆容量以及很好的循环性能。我们将这种电化学性能的提高归因于其大面积的介孔网状纤维结构不仅能为导电离子的快速流动提供通道，而且还可以缓冲电极材料在嵌锂与脱锂过程中所产生的体积膨胀；气敏测试表明介孔SnO2纤维同样具有很优异乙醇气敏性能，具有响应速度快及灵敏度高的特点。我们将这种气敏性能的提高归因于其介孔网状结构能有利于气体在材料内的扩散与传输过程。在第三章中，我们通过简单的乙醇溶剂热法制备出了形貌均一的花状SnS2纳米材料。我们还进一步研究了反应温度、硫脲浓度、溶剂组成对产物结构形貌的影响。根据产物形貌随反应时间变化的过程，我们提出了一个成核、生长、自组装到再生长的花状SnS2纳米结构的可能的形成机制和过程。将花状SnS2纳米材料应用于锂离子电池负极材料，发现其具有很优异的储锂性能，在50个循环后其可逆容量能达到502mAh g-1，而且循环性能也远远优于所制备六边形的SnS2纳米块。并且我们还初步分析了其性能提高的原因。这些结果表明所合成花状SnS2纳米材料是一种非常有应用前景的锂离子电池负极材料。我们通过简单的化学液相沉积法在铜箔上合成了SnS2纳米墙阵列结构，将其作为锂离子负极材料，其作为锂离子电池负极材料性能优异。在0.3C倍率下充放电，40个循环后其可逆容量可达700mAh g-1，在高倍率1.2C下充放电，其可逆容量也可达400mAh g-1，我们把储锂性能提高归因于原位生长的高度有序的SnS2阵列结构直接结合在铜箔集流体上有利于电极的电子转移、锂离子的迁移及缓冲体积膨胀。在第四章中，我们利用水热法合成的高度均一的Mn-NTA纳米线来构建了一种奇妙的安培型非酶H2O2传感器。循环伏安测试表明所制备的Mn-NTA纳米线在磷酸盐缓冲液中对双氧水具有很好的电催化性能。所制备传感器对H2O2测试的线性范围为5×10-6到2.5×10-3M，检测下限为2×10-7。传感器的灵敏度为78.9μAμM-1cm-2。这些结果证明所制备的Mn-NTA纳米线一种非常具有应用前景的检测H2O2的传感材料。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪言
• 1.1 纳米材料
• 1.1.1 纳米材料的分类
• 1.1.2 纳米材料的合成方法
• 1.2 纳米材料的应用
• 1.2.1 生物传感器
• 1.2.2 锂离子二次电池
• 1.2.3 气体传感器
• 1.3 选题意义及研究内容
• 2纤维的合成及其在锂离子电池和气体传感中的应用'>第2章 介孔 SnO₂纤维的合成及其在锂离子电池和气体传感中的应用
• 2.1 前言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 实验试剂和仪器
• 2纤维及多孔空心 SnO₂的制备'>2.2.2 介孔 SnO₂纤维及多孔空心 SnO₂的制备
• 2.2.3 实验电池组装与电化学性能测试
• 2.2.4 气体传感器的制备与组装
• 2.3 结果与讨论
• 2纤维的表征'>2.3.1 介孔 SnO₂纤维的表征
• 2纤维的锂离子电池性能表征'>2.3.2 介孔 SnO₂纤维的锂离子电池性能表征
• 2.3.3 储锂性能与材料结构间关系讨论
• 2纤维对乙醇气敏性能表征'>2.3.4 介孔 SnO₂纤维对乙醇气敏性能表征
• 2.4 本章小结
• 2和 SnS₂纳米墙阵列的合成及其在锂离子电池中的应用'>第3章 花状 SnS₂和 SnS₂纳米墙阵列的合成及其在锂离子电池中的应用
• 3.1 前言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 实验试剂与仪器
• 2纳米材料的合成'>3.2.2 花状 SnS₂纳米材料的合成
• 2纳米墙阵列的合成'>3.2.3 SnS₂纳米墙阵列的合成
• 3.3 结果与讨论
• 2纳米材料的物相及成分分析'>3.3.1 花状 SnS₂纳米材料的物相及成分分析
• 2纳米材料的形貌表征'>3.3.2 花状 SnS₂纳米材料的形貌表征
• 3.3.3 反应条件对产物形貌的影响
• 2纳米结构的锂离子电池性能表征'>3.3.4 花状 SnS₂纳米结构的锂离子电池性能表征
• 2纳米墙阵列的物相及成分分析'>3.3.5 SnS₂纳米墙阵列的物相及成分分析
• 2纳米墙阵列的锂离子电池性能表征'>3.3.6 SnS₂纳米墙阵列的锂离子电池性能表征
• 3.4 本章小结
• 2O₂传感器中的应用'>第4章 Mn（Ⅱ）-氨三乙酸（Mn-NTA）纳米线其在非酶 H₂O₂传感器中的应用
• 4.1 前言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 实验试剂与仪器
• 4.2.2 Mn-NTA 纳米线的制备
• 4.2.3 传感器的制备
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 Mn-NTA 的形貌及物相结构表征
• 4.3.2 Mn-NTA/Nafion/GCE 修饰电极的循环伏安（CV）行为
• 4.3.3 扫描速度对峰电流的影响
• 4.3.4 工作电压对传感器的影响
• 4.3.5 传感器的响应特征
• 4.3.6 溶液中离子对传感器的影响
• 4.3.7 传感器对环境样品的检测
• 4.3.8 传感器的重复性及储存稳定性测定
• 4.4 小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录 A （攻读硕士学位期间所发表的学术论文目录）