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低维纳米超结构材料的可控合成及其性能的研究

张宝华  
【摘要】:低维纳米超结构材料由于比普通纳米单体材料具有更好的光学、电学和磁学等性能,因而是当前材料科学研究的热点之一。ZnO是一种新型的Ⅱ-Ⅵ型半导体材料,纳米级ZnO出现的量子尺寸效应,使其能隙变宽,导带电位更负,价带电位更正,从而获得更强的氧化-还原能力,大大提高了催化活性。SnO2基锂离子电池负极材料因其理论初始容量高,目前已在电池研究领域崭露头角。中孔多面体密堆积碳材料集合了多种优点于一身,它将使不同应用领域发生重大的变革,如气体分离、水净化、催化剂和电化学应用中的电极材料等。 在本论文中,我们主要采用水热法制备了多种形貌新颖的低维纳米超结构材料,其中包括蒲公英状镓掺杂的ZnO/硬脂酸复合物材料、核壳结构的SnO2@C纳米链材料以及中孔多面体密堆积的碳材料。利用X-射线粉末衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM),透射电子显微镜(TEM),高分辨透射电子显微镜(HRTEM)等表征手段对样品的晶型、形貌、结构进行了分析,还采用荧光光谱(PL)、傅立叶变换红外光谱(FTIR)、拉曼光谱(Raman)等分析手段对所得产物的结构和性质等进行了进一步表征,并初步探讨了材料可能的形成机理。对其中相关材料还进行了光催化降解模拟污染物和电化学性能测试。 论文的具体内容如下: 第一章简单介绍了纳米材料的定义、性质、常用的制备方法和表征手段。就纳米超结构材料的合成及生长机理做了简单的概述。分别就纳米半导体光催化剂和锂离子电池的应用、原理和研究状况进行了简单的介绍。 第二章介绍了蒲公英状镓掺杂氧化锌/硬脂酸纳米复合物(Ga-doped ZnO/SA-NCs)的合成、表征、可能的形成机理及其光催化性能。采用水热法合成由直径为20-50 nm,长1-4μm的纳米棒并列构成的蒲公英状Ga-doped ZnO/SA-NCs,并从改变镓金属掺入量,改变反应时间等方面对其形成机理进行了探讨。结果表明,如果镓不参与反应便会形成纳米片状样品,纳米棒则是随着时间的延长而变长。以这些结果为依据,我们推测蒲公英状样品可能的形成机理是:前驱物分解后的产物着附在镓液滴表面,镓液滴在不断传送分解产物供纳米棒生长的同时自己也发生化学反应参与到样品生成中,最终以镓液滴耗尽结束反应。为了探讨这种蒲公英结构镓掺杂样品的光催化性能,我们将制备得到的材料作为光催化剂进行罗丹明B的光降解测试,最后测得样品在氙灯光照(模拟太阳光)下的光降解率可达60%。 第三章介绍了核壳结构SnO2@C纳米链超结构材料的合成、表征、可能的形成机理及其电化学性能。采用水热法合成了碳壳厚为2-10 nm,以6 nm粒径左右的Sn02纳米簇为核的核壳粒子组成的纳米链,并从改变焙烧过程中保护气体的流速以及焙烧温度、时间,葡萄糖加入量等对比实验,对其形成机理进行了探讨和研究。结果表明,高温下得到核壳结构SnO2@C的关键是控制好保护气体为低流速,通过调整水热过程中葡萄糖的用量可以得到不同的碳层厚度,随着焙烧时间的延长样品的结构不会发生变化,只是Sn02纳米粒子的粒径会稍微变大。以这些结果为依据,我们推测核壳结构SnO2@C纳米链超结构样品可能的形成机理中碳多聚物起主要的作用,适当含量的碳可以将团聚的SnO2NPs分散成纳米簇,还像桥梁一样成为SnO2NPs之间连接的介质,碳包裹在外层促进形成了核壳结构的纳米链。我们将不同碳层厚度的材料用于锂离子电池负极材料中,结果发现具有8 nm碳层壳的SnO2@C纳米链材料电极,在300 mA/g电流密度下,经过100个充放电循环后电池容量仍能高达650 mAh/g。 第四章介绍了中孔多面体碳材料的合成、表征、可能的形成机理。采用葡萄糖水热碳球经醋酸锂处理后,再经高温焙烧制得了孔径约30 nm的多面体碳球,并且碳球自发密堆积成宏观可裁剪的块体材料。通过改变试剂用量、改变焙烧温度和时间等对比试验对其形成机理进行了探讨。结果表明样品可能的形成机理是:N,N-二甲基甲酰胺(DMF)把葡萄糖水热碳球溶胀后,醋酸锂对其实施锂离子嵌入,随后的高温处理使得碳酸锂熔盐析出,从而制得了这种具有广泛应用前景的碳材料。 第五章对本论文的工作进行了总结和展望。


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