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一维纳米材料(纳米管、纳米带、纳米线、纳米棒等)因为其特殊的形貌及在纳米器件等领域的潜在应用,近年来成为科学家们的研究热点。具有层状结构的二价金属氢氧化物是电池、催化、添加剂等领域的重要原料,也是合成其它金属盐类或金属氧化物的前驱体。因而合成层状氢氧化物的一维纳米结构具有很重要的研究意义。
本论文以层状氢氧化物一维纳米材料的溶液化学合成为主线,建立了一种简单的一维氢氧化镍纳米材料的溶液化学合成方法,并将该方法推广到其它层状氢氧化物及其复合物一维纳米材料的合成上。以氢氧化镍为例,研究了三种不同晶型的氢氧化镍的形貌、结构和拉曼光谱,并讨论了三者之间的转化关系,探讨了这三种材料的电极容量和在CVD制备碳纳米材料中的催化性能。
主要结论如下:(1)利用高浓度的硫酸盐处理相应的氢氧化物沉淀,建立了一种制备一维纳米材料的溶液化学方法。将新沉淀的α-氢氧化镍在0.16M的硫酸镍溶液中100℃加热24小时,得到大量的新晶型的单晶氢氧化镍纳米带,其组成为Ni(OH)1.66(SO4)0.17(H2O)0.29,宽度和厚度分别为5~25纳米和3~8纳米,长度可达几十微米。氢氧化镍纳米带属于单斜晶系,晶胞参数是a=8.74(1)(A)、b=8.60(1)(A)、c=12.58(2)(A)、β=91.2(2)°。基于这种简单的溶液化学方法,还成功制备出组成为4.96Mg(OH)2·MgSO4·2.8H2O的氢氧化镁硫酸盐水合物(MHSH)单晶纳米带,其长度可达数十微米,宽度和厚度分别为60-300纳米和16-50纳米。另外,利用这种方法还合成出氢氧化镉、氢氧化铜、氢氧化亚铁等一维纳米材料。
(2)系统研究了三种不同晶型的氢氧化镍的形貌、结构、拉曼光谱和电化学性能。无定形α-氢氧化镍、β-氢氧化镍纳米板、新晶型氢氧化镍纳米带这三种材料显示出完全不同的XRD图谱和Raman光谱。新晶型氢氧化镍纳米带的Raman光谱出现了一些特征峰:在OH伸缩区域3534cm-1、3592cm-1处的两个新峰。β-氢氧化镍纳米板具有最高的电极比容量,意味着板状纳米材料有利于提高氢氧化镍的电化学性能。分析了这三种材料的相互转化关系并深入探讨了氢氧化镍纳米带转化为纳米板的机理。
(3)详细讨论了三种不同晶型氢氧化镍在CVD制备碳纳米材料的催化性能。在以氢氧化镍纳米带为催化剂CVD制备碳纳米材料时,发现了一种结构特殊的新型碳纳米材料:碳锥螺旋纳米管(CarbonCone-HelixNanotubes),管的直径为8-60纳米,长度为几百纳米到数十微米。这种管的管锥顶角为30-110°,根据重位点阵理论,管锥顶角的角度符合锥螺旋(Cone-Helix)结构。通过TEM观测部分断裂的管,进一步证明了这种管具有锥螺旋结构。这种碳锥螺旋纳米管具有很重要的基础研究价值并在电学、力学等领域可能有潜在的应用前景。