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《浙江大学》 2009年
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几种金属氧化物和空心纳米结构的形貌控制合成

王辰光  
【摘要】: 纳米材料的制备是纳米科学和技术的物质基础。制备符合一定要求的,具有某种特定形貌和尺寸的纳米材料是使纳米科学迈向实用化的一个重要步骤。具有空心结构的纳米材料近几年引起科研工作者的极大兴趣,人们发现它有许多新颖的性质,在很多领域都有潜在的巨大应用前景。本论文首先研究几种金属氧化物纳米材料的形貌控制合成。在此基础上,以制备好的氧化物纳米材料为前驱体,利用Kirkendall效应制备具有空心结构的纳米材料,并研究其影响因素和深层次的原因。 本论文首先研究的是Cu_2O纳米粒子的形貌控制合成。用抗坏血酸作还原剂,以硫酸铜、乙酸铜等作铜源,在室温下就可以制得Cu_2O纳米粒子。加入不同的表面活性物质作稳定剂,会得到不同形貌和尺寸的Cu_2O纳米粒子,如方形、圆形、多边形等。本论文从溶液中晶体的形成理论出发,结合胶体和表面化学的一些观点,对其形成的具体原因作了一定程度的探讨。此外,以不同的铜盐作铜源,对Cu_2O纳米粒子的形貌也有比较明显的影响,本论文对此也作了一些研究。最后,我们研究了Cu_2O纳米粒子的形貌和尺寸对其紫外吸收性质的影响。 在形貌控制合成这部分中,本论文研究的第二种氧化物是ZnO纳米结构的制备。在不同的pH值和温度下,制得了ZnO的微米粒子、纳米粒子和纳米棒。其中pH值的影响最为显著,其次是温度。本论文以低受限度条件下晶体的成核理论为依据,探讨这种影响的内在因素和形成过程。这部分工作的一个主要创新点是在比较简易的条件下仅通过控制pH值和温度就可以制得ZnO的纳米棒和纳米花。 本论文还研究了CuO、CdO等氧化物的形貌控制合成。分别采用水热、灼烧和液相加热分解的方法制得了不同形貌的纳米粒子,并结合物质形成的微观理论对其成因作了初步探讨。 广泛和深入地利用Kirkendall效应制备空心纳米结构是本论文的一个创新点。在现有文献中,制备空心粒子多采用模板法,本论文根据Kirkendall效应的原理,以一些氧化物纳米粒子为前驱体,系统地制备了一系列硫化物的空心纳米结构,并详细研究了具体的反应条件和反应机理。首先研究的是以Cu_2O纳米粒子为前驱体,在常温下制备Cu_7S_4空心纳米粒子。研究前驱体与Na_2S的不同的物质的量之比对产物空心程度的影响以及反应的具体进程。发现有两个明显特征:(1)空心产物的形貌与前驱体的很相似。(2)反应是以S~(2-)的扩散作推动力,由外向内逐渐进行的。另外,还研究了以Ag_2O纳米粒子为前驱体制备Ag_2S空心纳米粒子。 在此基础上,本论文又以ZnO纳米粒子和纳米棒为前驱体制备出ZnS空心纳米粒子和纳米管。与Cu_2O和Ag_2O纳米粒子不同的是在常温下ZnO纳米粒子的硫化反应很难进行,需要加热和一定的反应时间。主要研究反应的温度和时间对产物空心化的影响,得到最佳的反应条件。此外还研究前驱体的尺寸对产物空心化的影响,进一步研究Kirkendall效应产生的具体机理。最后,研究几种具有不同组成的纳米粒子的光学性质并分析其中的原因。 在本论文的最后一章,以CuO、CdO纳米材料为前驱体,根据相同的原理和反应,采用类似的试验方法,制备相应的硫化物的空心纳米结构。检验此类原理和方法的普遍性,并成功制备出CdS空心纳米粒子。此外,还利用一些热力学数据粗略计算几种金属氧化物的键能,用于解释几种氧化物发生硫化反应难易不同的现象。
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