碱金属铌酸和钛酸盐微纳米线的无模板固相合成、结构与性能研究

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碱金属铌酸盐和钛酸盐具有良好的铁电、压电、光催化等性能,因为他们的多功能性,所以在科研领域中被广泛的应用。而纳米材料在科技领域中也具有非常好的应用前景,如制作纳米传感器、发光二极管、集成电路、生物探针等,因此也引起了全世界广泛的研究。同样,碱金属铌酸盐和钛酸盐纳米材料也具有非常大的应用前景。因此,对碱金属铌酸盐和钛酸盐纳米材料的研究具有重大的意义。目前,关于碱金属铌酸和钛酸盐微纳米线各个方面的研究都很少。本文在本研究室首创无模板固相法合成碱金属铌酸盐微纳米线的基础上,采用该法制备碱金属铌酸盐微纳米线,侧重研究碱金属铌酸盐微纳米线的相结构调控,企图将其从钨青铜结构转变为钙钛矿结构,从而使之具有铁电压电性能,但调控结果并不理想。另外,在研制碱金属钛酸盐微纳米线的过程中,也发现了一些不一样的但有意思的现象,对此也进行了专门研究。具体研究结果概括如下:首先,采用传统固相法制备出TiO2掺杂、具有四方相钨青铜结构的碱金属铌酸盐微纳米线,研究了TiO2掺杂的碱金属铌酸盐微纳米线的生长、结构、成分、性能。研究结果表明,微纳米线类似植物从土壤中拱出生长一样,直接从陶瓷基体中竖直生长出来,浓密的排列在一起呈“小树林”状,每根微纳米线的粗细基本均匀一致。单根微纳米线由无数根平行且紧密接触的纤长微纳米线排列在一起构成的。微纳米线的四方相钨青铜结构不同于陶瓷基体的钙钛矿结构。而且,从陶瓷基体粉末、未掺杂TiO2的微纳米线粉末的成分对比看出,未掺杂TiO2的微纳米线粉末中的K元素和Na元素的原子百分比明显减少。以TiO2掺杂的碱金属铌酸盐微纳米线粉末为催化剂,来降解亚甲基蓝溶液,研究微纳米线的光催化性能。结果表明,在微纳米线粉末降解亚甲基蓝溶液过程中,溶液的紫外光谱吸收峰强度依次降低,并且随着时间的增加,微纳米线粉末对亚甲基蓝溶液的降解效果增强。其次,针对上述具有四方相钨青铜结构的碱金属铌酸盐微纳米线,利用水热法来调控该微纳米线的相结构。研究了反应介质、反应时间、溶液浓度的改变对微纳米线的相结构的影响。结果表明,在研究范围内,反应介质、反应时间和溶液浓度的变化,都没能改变微纳米线的相结构,其仍为四方相钨青铜结构。但由于在水热溶液中微纳米线会通过吞噬溶液中的原料分子而继续生长,从而导致微纳米线的直径均呈现明显的增大趋势,微纳米线的结晶化程度变高,同时微纳米线的形貌也发生了一定的变化。从水热反应前后微纳米线粉末原子百分比的对比看出,水热反应后微纳米线粉末中的K和Na元素原子百分比增加。最后,采用传统固相法制备了系列微量Li Bi O3(LB)掺杂的Bi0.5(Na0.5K0.5)TiO3(BNKT)实验样品,系统地研究了LB掺杂量和生长温度对BNKT基微纳米线的生长和结构的影响。研究表明,通过在BNKT中引入微量LB,可以实现BNKT基微纳米线的生长,但不同是,微纳米线在基体内横向生长;在其长度方向上以一维堆积方式生长,在径向方向则以二维层状堆积方式生长。所制得的BNKT微纳米线为单一的四方相钙钛矿结构,微纳米线中个别的元素有严重的流失;当反应的温度和保温时间不变时,增加掺杂的LB量,BNKT基陶瓷基体中生长出的BNKT微纳米线的量明显增加;保证LB掺杂量不变并且升高反应的温度,微纳米线尺寸微微增加,并且微纳米线的生长数量先增加后减少,由于反应过程中的温度较高,使得陶瓷基体发生严重的起翘和变形。对BNKT基微纳米线的生长机理进行了简单的讨论。
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