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一维钒氧化物纳米阵列的构筑及其性能研究

周炽炜  
【摘要】: 纳米材料由于其奇特的物理、化学性质而在催化、滤光、光吸收、医药、磁介质等方面有着广阔的应用前景,同时也将推动基础研究的发展。聚碳酸酯(PC)膜具有孔径分布较均匀、孔密度高、取向一致的特点,能溶于有机溶剂或高温氧化燃烧掉,是作为模板的良好选择之一。近年来,以PC膜为模板合成一维纳米结构材料受到了人们的关注,获得了较深入地研究。本文在综述了当前国际上应用模板制备纳米功能材料最新进展的基础上,利用溶胶.凝胶沉积方法,结合PC模板合成了一维钒氧化物纳米阵列材料。主要内容和结果如下: 分析了钒氧化物V_2O_5及其水合物V_2O_5·nH_2O的结构特性——优良的层状结构有利于插层反应,从而通过不同材料的插层复合,获得具有广阔应用前景的材料。还分别通过熔融淬冷法和双氧水法制备合成了V_2O_5溶胶,并对其浓度和稳定性进行了分析和比较,得出熔融淬冷法制得的溶胶稳定性优异和双氧水法制得的溶胶浓度较高的结果。 以聚碳酸酯为模板,分别利用熔融淬冷法和双氧水法制取的溶胶,采用模板浸润法,在聚碳酸酯膜孔道中分别构筑得到了钒氧化物纳米管和纳米棒阵列。EDS结果表明了纳米管、棒为钒氧化物组成。TEM和SEM结果显示钒氧化物纳米管、棒具有均匀的直径,并分别形成了有序的阵列结构。XRD和HRTEM的结果表明纳米管对应于单斜晶系纳米晶体V_2O_5·3H_2O。而纳米棒,对应于单斜晶系V_2O_5·3H_2O晶体与未知晶系V_2O_5·H_2O晶体组成。HRTEM结果验证了纳米棒中单斜晶系V_2O_5·3H_2O晶体成分。毛细管效应、抽真空造成的压力差及PC膜孔壁带负电荷和V_2O_5溶胶带正电荷,导致溶胶颗粒被吸附进孔道并吸附在孔壁上形成了钒氧化物纳米管,从而成功构筑了钒氧化物纳米管阵列。进一步,抽真空次数增加及双氧水法溶胶和管壁的不同吸附与接触作用,则导致了钒氧化物纳米棒的形成,进而成功构筑了钒氧化物纳米棒阵列。紫外-可见光透射光谱验证了钒氧化物纳米管的本征吸收长波限。同时,由于量子尺寸效应和表面效应,钒氧化物纳米管相对体材料光吸收带发生了向短波方向移动的现象。场发射性能测试表明了钒氧化物纳米管阵列具有良好的场发射性能——较低的开启电压和较高的最大电流,因而能够作为有前景的场发射体候选材料。同样,由于量子尺寸效应和表面效应,钒氧化物纳米棒相对体材料光吸收带也发生了向短波方向移动的现象。场发射性能测试表明钒氧化物纳米棒阵列亦具有良好的场发射性能。


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