硅納米線陣列的催化性質(zhì)及其表面改性研究.pdf

1、硅納米線陣列(Silicon nanowire arrays,SiNWAs)是直徑小于100nm的硅納米線以一定取向整齊排列于材料表面所形成的納米陣列。納米線自身的物理性質(zhì)及納米效應賦予 SiNWAs表面多種優(yōu)良的性能,如低反射和光吸收、催化活性、比表面積大等,從而使 SiNWAs在能源、催化、環(huán)境以及生物方面具有廣闊的應用前景。此外,在一些應用上,相比于分散相的硅納米線體系,SiNWAs不存在分散和分離的問題。然而到目前為止,無論在結(jié)

2、構(gòu)調(diào)控、性能開發(fā)和表面修飾方面, SiNWAs的研究都還不夠充分,特別是 SiNWAs表面改性,大部分已在平滑表面上成熟發(fā)展的改性技術(shù)及界面性質(zhì)都未曾在SiNWAs表面嘗試,相信若將這些改性方法與SiNWAs自身優(yōu)異的物理性質(zhì)及納米拓撲效應相結(jié)合,可以賦予SiNWAs更多意想不到的功能。此外,SiNWAs在催化方面的應用大多還依賴于與金屬材料的結(jié)合,目前已有初步的探索發(fā)現(xiàn)硅納米線自身或結(jié)合適當?shù)谋砻婊瘜W處理,即可擁有良好的催化性能,因此

3、,SiNWAs的催化性能也是十分值得探索的。
　　基于以上原因,本論文主要從 SiNWAs的制備、表面修飾以及催化性能三個方面展開研究。主要研究內(nèi)容如下:
　　首先,研究了SiNWAs的制備以及不同表面處理方式的比較。通過金屬催化化學腐蝕法制備了SiNWAs表面。通過調(diào)控化學腐蝕時間對納米線的長度進行調(diào)控,采用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察到納米線長度隨腐蝕時間的延長而線性增加,制備納米線長度范圍為4~49μm。用“Piran

4、ha”和氫氟酸溶液進行表面處理化學組成不同的SiNWAs表面,通過X射線光電子能譜(XPS)和拉曼光譜確定“Piranha”處理的SiNWAs表面(P-SiNWAs)富含羥基,而氫氟酸處理的SiNWAs表面(H-SiNWAs)富含 Si-H鍵。靜態(tài)水接觸角測試表明,H-SiNWAs表面呈現(xiàn)超疏水,而P-SiNWAs呈現(xiàn)超親水,這是表面化學組成與SiNWAs拓撲結(jié)構(gòu)共同作用的結(jié)果。
　　其次,研究了經(jīng)不同表面處理的SiNWAs的催化

5、性能。分別用氫氟酸和“Piranha”溶液處理 SiNWAs表面,通過紫外-可見分光光度法研究其催化 NaBH4還原對硝基苯酚的效率。結(jié)果表明,氫氟酸處理的SiNWAs表面具有顯著的催化活性,在該表面上,對硝基苯酚的轉(zhuǎn)化速率隨時間的延長而增加,至30min全部完成轉(zhuǎn)化。拉曼光譜表明,Si-H的存在是導致催化活性的關(guān)鍵。此外,比較納米線長度不同的SiNWAs表面的催化活性,發(fā)現(xiàn)納米線越長,催化活性越高。此外,硅氫化的SiNWAs對其他對硝

6、基苯衍生物也具有很高的催化還原效率。
　　最后,研究了各種功能性聚合物對SiNWAs表面的改性。通過表面引發(fā)原子轉(zhuǎn)移自由基聚合(SI-ATRP)的方法在SiNWAs表面接枝了聚(甲基丙烯酸N,N-二甲氨基乙酯)(PDMAEMA)和聚(N-異丙基丙烯酰胺)(PNIPAAm),水接觸角測試表明兩種表面分別具有顯著的pH響應性和溫度響應性,且相比于相同聚合物改性的平面硅表面,響應程度顯著提高;將具有不同分子量的、單端烯丙基化的聚乙二醇(