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《浙江大学》 2012年
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纳米结构Ⅳ-Ⅵ族化合物的制备、表征及性能测试

王岑  
【摘要】:本论文的研究工作是以基于溶液反应的自下而上的方法来制备得到具有独特形貌结构以及优异性能的Ⅳ-Ⅵ族化合物。本文利用一步水热法制备得到超薄SnO2二维纳米薄片材料,通过多种测试手段对其进行表征,发现了其取向连接的生长机理,同时将这种具备超大比表面积的产物用于锂离子电池负极材料的测试,获得了非常优异的锂离子容量性能;同时发现这种超薄SnO2二维纳米薄片材料具有奇特的室温铁磁性的性质,并通过各种测试方法揭示这种室温铁磁性很可能来源于材料表面的Sn空位;利用一步水热法制备得到超薄SnS2二维纳米薄片材料,同时将这种产物用于光催化性能测试,获得了非常优异的降解有机染料的能力;利用改进的微乳液法首先制备得到单分散的GeO2纳米方块,通过后续的在表面附着Au颗粒以及伴随着同步的GeO2的溶解,得到非常均匀尺寸和形貌的Au纳米空心立方壳层,这在生物医学上具有非常重大的意义。本论文得到的主要结果如下: (1)成功制备得到大量并且高纯的超薄SnO2二维纳米薄片材料,其中通过高分辨透射电镜和X射线衍射图谱精修以及原子力显微镜等测试手段可以测得我们的SnO2纳米薄片的最薄厚度约为2.1 nm。通过透射电镜和高分辨透射电镜对于不同反应时间的样品的观察可以发现我们制备得到的SnO2超薄纳米薄片材料是由初始生成的SnO2纳米颗粒通过“取向连接”的生长方式自组装而成。系统的对比实验还表明,只有在适当的反应时间、溶剂、添加剂、前驱体浓度以及冷却速率时才能生成非常完美的超薄SnO2纳米薄片。然而,即使在非常完美的超薄SnO2纳米薄片样品中,仍然不可避免地存在一定程度的非化学计量比。实际的实验参数与最佳参数值相差很大时更容易造成这种非化学计量比,从而导致生成Sn3O4或者SnO。这一发现能很好地帮助我们对锡氧化物进行更深入的研究。最后,我们还研究了这种超薄SnO2纳米薄片在作为锂离子电池负极材料时的性能,并与SnO2空心球以及纳米颗粒进行了比较。实验结果表明超薄SnO2纳米薄片的性能要远高于另外两种对比样品。这可能要归结于SnO2纳米薄片的超薄厚度以及独特的多孔状结构:纳米化的网络状结构提供了极短的离子扩散距离也即促成更快的相变反应;而内部多孔结构则可以很好的缓冲在充放电过程中由材料体积的巨大变化带来的应力应变。 (2)在制备得到的超薄SnO2纳米薄片中发现奇特的室温铁磁性的现象。其中,饱和磁感应强度为15.1memu/g,矫顽力为20 Oe。同时,通过第一性原理的计算发现,当材料表面存在Sn空位时,最外层O原子层中O原子的s和p轨道电子存在自旋极化现象,造成了这种室温铁磁性的产生。随后,我们系统地研究了这种超薄SnO2纳米薄片样品在不同气氛和温度下退火处理后的磁学性能。实验结果表明,在所有的样品中仍然存在着室温铁磁性的现象,并且所有的磁性样品中饱和磁感应强度都不与样品中的O空位数量成线性关系;相反地,假设材料表面的Sn空位是磁性的来源则可以更好地解释所有现象。这恰好与我们之前的第一性原理计算结果相符。同时,我们还发现,这种超薄SnO2纳米薄片的居里温度约为300℃,远高于室温,这对于新型自旋电子器件来说具有非常大的潜力。 (3)成功地制备得到了SnS2二维纳米薄片材料。产物纯度高,产量大,薄片厚度约为5 nm左右。其中我们详细地讨论了改变反应溶液中的溶剂极性对产物最终形貌的影响。此外,通过对比不同SnS2样品在光催化降解罗丹明B染料时的表现,详细探讨了不同形貌、不同结晶性的样品对最终光催化活性的影响。实验结果发现,六角片状的SnS2纳米薄片的光催化活性最好,甚至超过商用的TiO2(P25),这在未来的污水处理方面可能具有很大的意义。 (4)通过对GeO2表面功能化以及后续的沉淀-沉积反应来合成表面覆盖Au颗粒的GeO2复合物。其中,我们详细探讨了氯金酸的浓度对Au种的尺寸分布和分散程度的影响;并且发现,当氯金酸的浓度充足时有利于同质均匀并完美分散的Au颗粒的产生。随后,通过额外添加一定量的氯金酸使得另一部分Au颗粒被还原生长在之前形成的Au/GeO2复合物表面,同时伴随着GeO2核的同步溶解,致使形成Au立方空心壳层。整个方法非常简单方便,非常适于制备这种特殊结构的Au空心壳层。同时,这种产物的吸收光谱的共振峰在900 nm以上,使得它们在生物医学应用中具有非常大的前景。
【学位授予单位】:浙江大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:TB383.1

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