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采用水热合成法和不同的后处理方法制备了几种低维纳米材料和纳米复合材料。研究了不同合成条件和后处理条件对所得产物的形貌、结构和性能等方面的影响;通过控制条件,在一定的范围内实现了对产物尺寸和形貌的有效控制;利用粉末X射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)、傅立叶变换红外光谱(FTIR)、X射线光电子能谱(XPS)、热重差热(TG-DSC)等手段对产物的结构、尺寸、形貌及成分进行了表征。另外,对所合成的材料进行了在催化、电化学传感和锂电池电极材料等方面的应用研究。主要内容概括如下:
1.氧化铝纳米管的水热合成及其催化性能研究用阴离子表面活性剂辅助的水热合成法制备了晶化的γ-AlOOH纳米管,并通过煅烧处理得到了晶化的γ-Al2O3纳米管。用XRD、SEM、TEM、TG-DSC、FTIR以及低温N2吸附对所得纳米管进行了表征。较为详细地研究了纳米管的形成过程,并提出了可能的反应机理,即首先由阴离子表面活性剂与Al(Ⅲ)无机物种共同形成复合层状相,然后层状相中的无机物种在水热条件下晶化,并同时卷曲,从而形成羟基氧化铝纳米管,进一步通过焙烧脱除水和表面活性剂得到了氧化铝纳米管。用乙醇脱水制乙烯作为探针反应,考察了所得的γ-Al2O3纳米管的催化性能。结果表明,与γ-Al2O3纳米颗粒相比,γ-Al2O3纳米管拥有更高的催化活性。另外,通过在水热合成过程中加入其它金属元素,成功地实现了对氧化铝纳米管的掺杂,催化活性测试表明,Cu、Zn、Ni的掺杂提高了氧化铝纳米管的催化活性。
2.银/钒酸银纳米复合材料的合成与应用通过水热法合成了Ag2V4O11(SVO)纳米带,研究了在电子束和X射线、γ射线辐射条件下SVO纳米带表面偏析诱导形成自负载银纳米粒子的可控合成,得到了Ag/SVO复合材料。用XRD、TEM、HRTEM和SAED等手段对产物进行了表征。结果表明,通过控制辐射处理条件,可以有效调节银纳米粒子的尺寸(在2～50nm之间)。讨论了辐射诱导形成银纳米粒子的可能机理,即在电子束和X射线的照射下,样品的原子会发射出二次电子和光电子,这些次生电子中具有合适能量的将会被SVO纳米带表面的Ag+捕获而形成Ag纳米粒子,同时SVO的层状结构使得其体相中的晶格Ag+能够迁移到表面,于是SVO表面偏析出的Ag纳米粒子能够慢慢长大。通过一种直接固定的方法,实现了Ag/SVO复合材料辅助下的血红蛋白(Hb)与玻碳电极之间的直接电子转移,研究了其对H2O2溶液的电化学响应,发现用Hb/Ag/SVO修饰的电极所构建的生物传感器对检测H2O2具有较高的灵敏度和很低的检测限,从而提供了一种新的构建蛋白质生物传感器的方法。研究了银纳米粒子的自负载对钒酸银纳米带作为锂电池正极材料充放电性能的影响;未经辐射处理的钒酸银几乎没有充放电活性,而经过辐射处理的自负载有银纳米粒子的钒酸银则表现出良好的充放电性能,该结果为提高锂电池电极材料的性能提供了一种方便而有效的处理方法。
3.层状磷酸锆纳米棒和聚苯胺/磷酸锆复合材料的制备与表征通过回流法和水热法分别制备了纳米和微米尺度的α-磷酸锆,然后经过剥离和HF辅助条件下的水热处理得到了α-磷酸锆纳米棒;通过控制反应条件得到了不同长度和长径比的纳米棒,并提出了纳米棒的可能形成机理。通过先将苯胺插入到磷酸锆的层间,再使苯胺在磷酸锆层间原位氧化聚合得到了聚苯胺插层的磷酸锆复合材料。用XRD、TEM、HRTEM、FTIR等手段对所得磷酸锆纳米棒和聚苯胺/磷酸锆复合材料进行了表征。通过对层状前体的尺寸以及氧化剂的选择,实现了对聚苯胺/磷酸锆纳米复合材料结构的有效调控,从而为高分子材料与层状材料的纳米复合提供了新的方法。