几种无机功能纳米材料的制备、表征和性能研究

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低维无机纳米材料因其独特的光、电、磁等性能,在纳米器件和功能材料等领域具有广阔的应用前景,近年来引起了人们浓厚的研究兴趣。通过大量文献调研发现,低维纳米材料的结构、维度、形貌、尺寸等因素对其性能有着直接影响。因此,如何对纳米材料这些影响因素实施有效控制,一直是材料领域、凝聚态物理和材料化学等领域的前沿课题和研究热点。本论文中,分别采用水热法、溶剂热法及模板法等合成方法,制备出了多种具有不同组成及结构的无机功能纳米材料,并对纳米材料的制备条件、光学性能及生长机理进行了优化和讨论,实现了在合成过程中对尺寸和形貌等指标的有效调控,建立了一些新的化学合成路线。论文的主要研究内容如下: 1.通过简单的一步水热反应,成功合成了Cu@C同轴纳米电缆结构。利用六次甲基四胺(HMT)水热分解出的甲醛做还原剂和碳源,以十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)为结构导向剂,硫酸铜为催化剂,并作为金属铜的来源,通过低温水热还原/碳化过程合成了包覆完善、尺寸均匀、产率可观的Cu@C同轴纳米电缆材料,提出了合理的反应过程和形成机理。尝试了利用合成出的Cu@C同轴纳米电缆产品为原料,通过真空高温退火处理,得到了具有同样形貌,壳层碳由原来无定形转变成石墨相的Cu@C同轴纳米电缆改性产品。并利用浓硝酸腐蚀掉被包覆的铜纳米线,获得了无定形碳纳米管。该方法为将来实现宏量合成Cu@C同轴纳米电缆材料和碳纳米管开辟了新途径。 2.不加任何表面活性剂,以甲苯为溶剂,通过溶剂热法合成了HgS竹筏状并列纳米结构,CdS纳米棒以及PbS纳米方块。利用X-射线粉末衍射、场发射扫描电镜、透射电镜、高分辨透射电镜、选区电子衍射、能量散射X射线光谱、紫外-可见吸收光谱等分析测试手段对制备的纳米结构材料进行了系统表征。探讨了溶液pH值、溶剂种类、反应时间等实验参数对纳米材料形貌的影响,并对纳米结构的形成机理作出了初步解释。 3.利用氯金酸水溶液在环己烷中形成的乳状液液滴为模板,以双(三甲氧基硅丙基)二硫化物(TESPB)为唯一硅原料,通过在80℃下回流反应,合成出了含硫氧化硅纳米空心球和纳米管。并以含硫氧化硅纳米空心球为模板,通过牺牲模板法溶剂热首次合成出了硫化汞纳米管簇状结构。并对含硫氧化硅空心球、纳米管以及硫化汞纳米管簇的实验影响因素和形成机理进行了讨论。 4.合成出了少见的结晶性能好、高度有序的层状PbSO<,4>介观结构材料。以十二烷基硫酸钠(SDS)和醋酸铅为原料,以巯基丙基三乙氧基硅烷(MPTES)为结构稳定剂,室温下首先合成出Pb-SDS层状前驱体,然后在130℃下,对前驱体进行水热处理12h,通过十二烷基硫酸钠水解出的硫酸根与pb<2+>原位反应,在疏水性化合物巯基丙基三乙氧基硅烷的保护下,合成出具有晶态结构的层状PbSO<,4>介观结构材料,此方法具有操作简单、易于控制等特点。 5.以介孔分子筛SBA-15为模板,以双(三甲氧基硅丙基)二硫化物(TESPB)为表面改性剂,通过后处理法,首先对介孔SBA-15表面进行多硫醚链修饰,然后利用硫醚基团与金属离子的原位吸附作用将离子吸附到孔道中,再在氮气气氛中煅烧1~2h,成功实现了在介孔材料的孔道内宏量合成出了CdS、ZnS纳米晶粒,PbS、Ag<,2>S纳米棒等硫化物半导体材料。此外采用一步合成法,将TESPB与正硅酸乙酯(TEOS)进行共沉淀反应,以将更多的TESPB分子直接引入到介孔材料的孔道墙壁上,进而提高孔道内的硫醚基团的含量以及对金属离子的吸附量,通过精确控制反应条件,首次合成出了具有火柴杆外形的单晶PbS纳米结构材料,研究了材料的光学性能。该方法具有普适性和可控性。
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