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纳米功能材料的组装与性能研究

张娜  
【摘要】: 随着纳米科学的发展,人们已经可以控制纳米材料的基本性质,而制成能适合某种实际应用的特殊功能材料。通过一定的组装技术对纳米材料进行再设计,从而使得原子或者分子按照自己的意愿进行排列,构筑出特殊的结构体系和花样,使其具有其他材料所没有的特殊优越性能。因此,我们尝试不同的制备方法分别合成了不同维数的纳米材料,为后期的组装提供原料基础;同时,利用不同的组装技术对材料进行组装,形成特定结构并进行光、电、磁等性能的研究。 首先,我们分别合成不同维数的纳米材料包括:零维的量子点,一维的钛酸盐纳米晶须和纳米棒,准二维结构的纳米片,还实现了一维多壁碳纳米管的表面修饰。其具体内容包括以下几点: (1)利用溶胶-凝胶法制备出氧化锌量子点,通过透射电镜分析,量子点具有良好的单分散性,大小均一约为4nm。(2)分别利用超声过程中,浓硝酸和臭氧氧化,对多壁碳纳米管进行管帽开口和表面改性处理。分别讨论硝酸浓度、回流时间、以及反应温度、臭氧溶剂以及氧化时间对碳纳米管修饰效果的影响。用FT-IR光谱分析了碳纳米管的表面修饰;用Raman光谱和TEM分析碳纳米管的结构形貌。另外,分析了碳纳米管在离子液体中的分散性、溶解性;并用电导率的变化,分析了碳纳米管对离子液体导电性能的影响。(3)以偏钛酸为钛源与无水碳酸钾以不同比例混合,利用高温固相法分别成功制备出六钛酸钾纳米晶须与四钛酸钾纳米棒,并通过不同的后续水热反应考察了晶须和纳米棒的水解物相转化过程。利用XRD、SEM等测试手段表征了水热反应过程中的物相转化与形貌变化,考察了其产物中的TiO2成分的光催化性能,发现其中锐钛矿纳米TiO2具有优异的可见光光催化性能。(4)采用插层剥离工艺,制备出了准二维TiO2纳米片(TNS)、MnO2纳米片(MNS)及TiTaO5纳米片溶胶。同时,利用本组发明的新型螺杆研磨机进行对层状化合物的机械剥离,制备了高浓度、高质量的Ti5NbO14、TiNbO5和TiTaO5纳米片。通过XRD、SEM、AFM、TEM、PL等测试方法表征了纳米片结构形貌与性能,并测试其Zeta电位,判断纳米片的带电性,结果表明纳米片均具有很薄的厚度,表面带负电荷,在分散介质中能稳定存在,具有明显的丁达尔现象。 其次,我们对表面修饰后的多壁碳纳米管进行组装与性能测试 利用一步原位水解法合成了Fe3O4包覆的磁性碳纳米管复合物,它对外加磁场有很强的感应性,是一种新型的优良软磁材料。 对碳纳米管引入有机官能团修饰来合成纳米复合材料已经成为一种发展趋势。通过自组装技术,利用功能化多壁碳纳米管表面的巯基与ZnO量子点进行共价偶合,形成一种具有特殊序列的ZnOQDs/f-MWCNT异质结构。通过这种强的Zn-S键锚接形成的ZnO/MWCNT异质结构,非常稳定。通过TEM、SEM、FT-IR、EDS、UV-Vis和PL等表征技术分析测试了量子点与碳纳米管的异质结构的形貌、稳定性、光学、电学和光电转换性能,发现这是一种独特异质结构的负温度系数半导体材料,具有荧光猝灭和吸收光谱红移等特点。并将其应用在染料敏化太阳能电池上,并测试开路电压和闭路电流。最后得出结论:碳纳米管的引入,能提高电子传输速率,增强光电流和光电压。 最后,我们对准二维结构的纳米片进行了组装与性能研究 (1)通过静电层层自组装(LBL)方法实现纳米片自组装,形成纳米片与高分子正电性聚合物的均质薄膜以及异质薄膜。用UV-Vis吸收光谱原位表征了组装层数与吸光度的线性关系,复合薄膜还拓展了吸光范围。纳米片的LBL组装是连续、均一、可控的,也证明了纳米片在分散体系中的稳定性和高分散性。另外,还研究了锂离子在薄膜中的嵌入和脱出,说明LBL薄膜层状结构在锂离子电池方面的应用前景。 (2)利用静电沉积组装方法(ESD)将TiTaO5纳米片溶胶与稀土金属离子沉降,得到高效发绿光和红光的纳米片固体发光材料复合物。通过XRD、TEM、EDS、UV-Vis、PL等分析方法对复合物的结构、形貌、能量传递和荧光性能进行研究。复合物为层状结构,主要依靠带正电的稀土金属离子与带负电的纳米片的静电吸引沉积而成。将稀土离子的溶液换成盐酸溶液时,纳米片溶胶同样发生了ESD沉积,形成絮状沉淀。通过BET测试和光催化降解染料实验可以说明沉积纳米片具有大的比表面积和良好的光催化性能。 (3)利用电泳沉积组装法(EPD),以铜片为负极时,纳米片可以在正极的ITO上进行富集沉积,形成结构规整、表面平滑的层状结构,可允许锂离子的嵌入和脱出,在锂电池方面具有很大的应用前景。在相同条件下,当以ITO为负极时,得到了很漂亮规整的“纳米玫瑰”修饰的电极。这些工作为纳米片修饰电极的结构设计提供了新的信息。


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