原位同步輻射技術(shù)研究金屬納米材料生長及熱擴(kuò)散機(jī)理.pdf

1、功能材料的可控合成和性能剪裁是當(dāng)今材料科學(xué)研究的重要研究方向之一，核心問題是從原子和分子水平上揭示材料制備、結(jié)構(gòu)以及性能調(diào)控的動(dòng)態(tài)過程，優(yōu)化和指導(dǎo)功能材料在原子和納米尺度上的化學(xué)和物理的動(dòng)力學(xué)進(jìn)程，不斷創(chuàng)造和革新我們現(xiàn)有的物質(zhì)和能量體系，以滿足人類發(fā)展的各種物質(zhì)需求。同步輻射大科學(xué)裝置在基礎(chǔ)科學(xué)研究中扮演愈來愈重要的角色。原位同步輻射實(shí)驗(yàn)新方法能夠?qū)崟r(shí)有效地跟蹤功能材料在真實(shí)反應(yīng)中的變化過程，有望在應(yīng)用納米科技和解決能源危機(jī)上取得重要進(jìn)

2、展。本論文工作主要是依托NSRL的X射線實(shí)驗(yàn)站(U7B和U7C)搭建的原位裝置（高低溫原位XAFS和UV-Vis-XAFS聯(lián)用裝置）。利用原位裝置研究一些重要的科學(xué)問題（納米晶體的生長和擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)問題）如:納米晶體的初期成核路徑對(duì)其后期形貌的影響和雙金屬納米擴(kuò)散機(jī)理的動(dòng)力學(xué)研究。本論文取得的具體研究成果如下:
　　1.納米晶體的初期成核路徑對(duì)其后期形貌的影響的機(jī)理研究為了實(shí)現(xiàn)可控合成并操縱擁有特定剪裁性能的新功能材料，就需要我們對(duì)

3、納米材料的形成反應(yīng)機(jī)理做出深刻的認(rèn)識(shí)。雖然科學(xué)工作者們?cè)诩{米材料的成核和后期生長方面做了大量的研究，但是目前對(duì)納米晶體的初期成核的路徑和后期生長形貌之間的關(guān)系了解的很少。因此，論文第二章節(jié)工作搭建原位同步輻射XAFS和UV-Vis聯(lián)用裝置，并應(yīng)用于原位研究不同形貌Pt納米晶體的生長機(jī)理，首次觀察到通過操縱化學(xué)還原反應(yīng)的路徑實(shí)現(xiàn)Pt納米晶顆粒形貌的控制合成;通過改變還原劑的強(qiáng)弱，可以對(duì)初期成核在兩種路徑之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。還原反應(yīng)中初期成核兩種

4、路徑:即在弱還原劑條件下形成線性'PtnClx'多聚體、在強(qiáng)還原劑條件下形成球形零價(jià)'Ptn'團(tuán)簇;通過操縱這兩種路徑，可以成功實(shí)現(xiàn)Pt納米晶零維和一維形貌的控制合成，相關(guān)研究成果發(fā)表在化學(xué)領(lǐng)域國際權(quán)威期刊《美國化學(xué)會(huì)志》[J.Am.Chem.Soc,134,9410(2012)]2.雙金屬納米擴(kuò)散機(jī)理的動(dòng)力學(xué)研究納米尺度下的熱驅(qū)動(dòng)擴(kuò)散在制造納米器件和改善物質(zhì)材料的性質(zhì)有著廣泛的應(yīng)用，它決定了化學(xué)反應(yīng)速度和反應(yīng)路徑過程以及結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變。然

5、而目前研究原子量級(jí)的擴(kuò)散主要還是停留在凝聚態(tài)物理中，即通過理論計(jì)算模擬得到擴(kuò)散速率和推測擴(kuò)散機(jī)理。由于技術(shù)手段的限制對(duì)探測10 nm以下納米材料擴(kuò)散過程還有很大的局限性，用實(shí)驗(yàn)的手段很難觀測納米材料擴(kuò)散過程。我們用同步輻射時(shí)間分辨XAFS技術(shù)對(duì)的雙金屬核殼的擴(kuò)散過程進(jìn)行了研究。論文的第三章節(jié)采用高低溫原位XAFS裝置研究了Cu@Au核殼結(jié)構(gòu)在變溫的驅(qū)動(dòng)下發(fā)生擴(kuò)散的機(jī)理。首次觀察到單一的擴(kuò)散過程，而這種擴(kuò)散必須依賴于CuAu金屬間的化合物

6、。從實(shí)驗(yàn)的角度彌補(bǔ)了擴(kuò)散過程只有理論計(jì)算和模擬的研究。單一擴(kuò)散的發(fā)現(xiàn)將為對(duì)操控?cái)U(kuò)散過程和調(diào)控雙金屬結(jié)構(gòu)有著很大的啟示，相關(guān)研究成果發(fā)表納米頂級(jí)期刊ACS nano期刊上[ACS nano8，1886(2014)]。
　　3.AuCu nanocage合成與制備的研究金屬空心納米材料，由于其具備高比表面、低密度以及結(jié)構(gòu)可控等特性，表現(xiàn)出區(qū)別于大尺寸體相材料的獨(dú)特性能，廣泛應(yīng)用于催化、能量儲(chǔ)存和藥物傳輸?shù)阮I(lǐng)域而倍受關(guān)注。通過對(duì)成分、尺