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非球形空心纳米结构的控制合成及性质研究

姜真  
【摘要】:纳米材料具有丰富的组成和多样的结构,呈现出不同于块体材料的独特物理化学性质,在光学、电学、催化、电子器件以及信息存储等领域发挥着不可取代的作用。人们已经利用多种方法制备了各种形态的纳米结构材料,然而,在设计合成特殊形貌的纳米材料特别是空心多面体纳米结构方面,仍缺少普适性的方法。本论文提出利用组成和结构多样的金属有机骨架结构(MOFs)纳米晶为模板,通过液相反应合成一系列空心多面体纳米结构,并研究了相关材料作为超级电容器电极材料的性质。 1.以ZIF-8纳米晶为模板合成硫化锌空心多面体结构 通过2-甲基咪唑与醋酸锌的配位反应合成了具有截角十二面体形貌的ZIF-8纳米晶,其中醋酸根与2-甲基咪唑发生竞争从而控制反应成核速度,达到控制纳米晶粒度的目的,同时醋酸根的存在在一定程度上抑制了2-甲基咪唑在晶核表面的吸附,使ZIF-8晶体以自身结晶习性缓慢生长,最终形成粒度、形貌均一的ZIF-8纳米晶。以合成的ZIF-8纳米晶为模板和锌源,以硫代乙酰胺为硫源,通过液相反应制备硫化锌空心多面体纳米结构,完好的复制了模板的形貌,获得了纤锌矿结构的ZnS空心截角十二面体。空心结构是由粒径2-3nm的ZnS纳米颗粒无序排列而成,壁厚约20nm, BET比表面积约为150m2g-1。在空心结构的形成过程中,控制ZIF-8纳米晶的溶解速度和硫代乙酰胺水解释放硫离子的速度是获得形貌完好的空心截角十二面体的关键。最后研究了硫化锌空心多面体及纳米颗粒在紫外吸收谱上的差异。 2.层状双金属氢氧化物(LDHs)空心结构的合成及Ni-Co LDH作为超级电容器电极材料的应用 利用2-甲基咪唑和硝酸钴反应合成了尺寸均一,分散性良好的菱面体ZIF-67纳米晶。并以合成的ZIF-67多面体为模板,加入不同的金属硝酸盐,合成了Mg-CoLDH、Ni-Co LDH及Co LDH三种空心多面体材料。这三种LDHs不仅完好复制了ZIF-67模板的菱面体形貌,而且表面是由纳米薄片组成的。不同的LDHs由于加入不同的硝酸盐,水解速度不同,导致表面纳米片的疏密程度不同。反应的关键是控制好LDH材料的沉积、ZIF-67模板的溶解以及二价钻离子的氧化等反应之间的平衡关系。我们也对Ni-Co LDH进行了电化学测试以探索其在超级电容器电极材料方面的应用,效果理想。 3.非晶态硫化钴空心多面体的合成及作为超级电容器电极材料的应用 利用ZIF-67纳米晶为模板,通过液相反应,以硫代乙酰胺为硫源,乙二醇为溶剂制备了无定形硫化钴空心结构。所得的空心结构完好复制了ZIF-67菱面体纳米晶的尺寸和形貌。空心结构的BET比表面积约为96m2-1。精确控制的硫离子水解和ZIF-67模板溶解是合成形貌规则的硫化钴空心多面体的关键。我们对不同形貌的硫化钴纳米结构进行了超级电容器电极材料的应用测试。电化学表征表明,由于硫化钴空心多面体的非晶态及其新颖的结构,该材料具有较高的比电容。


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