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基于咪唑类离子液体助剂的金红石TiO_2纳米材料的水热合成

彭鹏  
【摘要】: TiO_2作为一种重要的半导体材料,具有合适的禁带宽度、无毒、成本低等优点,在催化、光电、气敏、太阳能电池以及锂电池等领域有着广泛的应用前景。发展TiO_2新的合成方法,探索其生长机制,从而获得具有特定尺寸、形貌、维度等的纳米材料,对于深入系统地研究TiO_2纳米材料与性能的关系,并进一步实现TiO_2纳米材料的组装,构建TiO_2功能纳米材料结构体系,最终使TiO_2纳米材料进入应用领域具有重要意义。而离子液体作为新型的有机溶剂,在无机纳米材料合成方面具有其特殊的功能。本论文就金红石TiO_2纳米材料以结构简单的咪唑盐类离子液体为助剂的水热条件下的合成进行了研究,对金红石纳米材料的形成机制、尺寸形貌等进行了有益探索。论文包括以下内容: 第一章简要介绍了纳米材料的特性,金红石TiO_2的结构、性能、应用,综述了其主要合成方法及研究发展,同时介绍了离子液体的特性、在无机材料合成中的应用和功能。在此基础上提出了本课题的研究背景、主要研究内容和采取的主要表征手段。 第二章以TiCl_4为原料,在强酸性介质中以离子液体[C_4mim]Br为助剂,采用水热方法制备了金红石TiO_2纳米棒阵列膜。通过在普通玻璃基片上预先沉积P25晶种,实现了金红石纳米棒的定向生长;通过调节离子液体与钛源的比例,探索了离子液体对金红行纳米棒生长的影响。基于金红石、锐钛矿TiO_6八面体结构单元的连接方式及其表面结构特点,提出金红石表而所吸附的离子液体阳离子之间可产生π-π相互作用,有利于八面体结构单元的线性连接,从而形成棒状结构。 第三章以离子液体[C_8mim]Br为助剂,采用低温水热法制备了金红石纳米棒和微米球。以简单的增加钛源浓度的方式,实现了金红石纳米棒到圆锥体,再到微米球的形貌演变。提出了金红石纳米粒子在离子液体的作用下,通过自组装的聚集方式,构筑多级结构的形成机制。 第四章以离子液体[C_(12)mim]Cl为添加剂,弱酸性条件下低温水热合成了低维度的金红石纳米晶,研究了合成条件——主要是离子液体浓度、不同钛源对所得结果的影响,获得了具有高度结晶性能的金红石纳米棒和纳米立方块。并对离子液体中Cl~-阴离子的作用进行了讨论。 第五章探索了以Ba(OH)_2 8H_2O和Sr(OH)_2 8H_2O为反应物,正丁胺为溶剂的非水溶剂热条件下,BaTiO_3和SrTiO_3纳米材料的合成。提出了“释放-水解”的生长机制,通过严格控制反应温度,逐步释放反应物中的结晶水,实现了钛酸钡、锶纳米材料在生长过程中颗粒尺度的控制,并对颗粒尺度与光谱性质的关系做了研究。 第六章总结了本文的创新结论,展望了离子液体在纳米材料合成中的应用前景。


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