高壓溶劑熱調(diào)控微納米晶結(jié)構(gòu)及性能研究.pdf_第1頁(yè)
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1、水熱溶劑熱合成是指:在密閉容器中,以水或者其它物質(zhì)為溶劑,制備材料的一種常用方法。利用該方法可以通過(guò)調(diào)控溫度,反應(yīng)時(shí)間,前驅(qū)體等條件獲得不同形貌不同大小不同結(jié)構(gòu)的納米材料,已經(jīng)成為納米材料合成的一種主要方法。隨著水熱溶劑熱合成的發(fā)展,人們對(duì)反應(yīng)體系中溫度,反應(yīng)時(shí)間,濃度,PH值,等實(shí)驗(yàn)參數(shù)對(duì)體系的影響的研究已經(jīng)趨于完善,而由于實(shí)驗(yàn)條件等因素的影響,影響水熱溶劑熱反應(yīng)中一個(gè)重要因素—壓力,卻很少有相關(guān)實(shí)驗(yàn)報(bào)道。普通水熱反應(yīng)的壓力大多在4

2、MPa-10 MPa左右,近年來(lái)采用金剛石對(duì)頂(DAC)的方法可以對(duì)反應(yīng)體系施以1GPa-100 GPa的壓力,而利用這兩者之間壓力對(duì)反應(yīng)經(jīng)行研究的文獻(xiàn)鮮有報(bào)道。所以結(jié)合實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)的高壓溶劑熱反應(yīng)裝置,本論文主要研究了壓力范圍在10MPa-300MPa下,壓力對(duì)水熱溶劑熱體系中納米晶粒聚集,定向生長(zhǎng)等發(fā)面的影響,并通過(guò)理論計(jì)算等方法來(lái)研究高壓下晶體生長(zhǎng)的特性,將高壓溶劑熱合成方法應(yīng)用到常見(jiàn)氧化物以及硫化物的合成,并對(duì)合成產(chǎn)物相關(guān)性質(zhì)

3、進(jìn)行研究。主要內(nèi)容:
  1.高壓溶劑熱合成橄欖形SnO2納米顆粒以及氣敏性質(zhì)研究
  利用高壓溶劑熱實(shí)驗(yàn)裝置,在200MPa壓力下,合成了橄欖形SnO2納米顆粒,并通過(guò)與相同原料下普通溶劑熱合成方法的產(chǎn)物的對(duì)比,以及不同時(shí)間產(chǎn)物形貌等方法,初步了解了壓力對(duì)納米顆粒生長(zhǎng)的影響。另外,隨著反應(yīng)體系中四甲基氫氧化銨(TMAH)濃度的由0.6M增加到2.0M,我們進(jìn)一步獲得了十二面體,八面體,雞蛋型等不同形貌的SnO2顆粒,并對(duì)不

4、同形貌的SnO2納米顆粒的氣敏性質(zhì)進(jìn)行進(jìn)一步研究,發(fā)現(xiàn)橄欖形SnO2對(duì)N(CH3)3,有著非常高的響應(yīng)值。
  2.高壓溶劑熱合成三維有序排列SnO2多級(jí)結(jié)構(gòu)
  以水和乙醇85∶15的混合液為溶劑,以N(CH3)3為保護(hù)劑,通過(guò)體系反應(yīng)物濃度的控制,成功獲得了SnO2三維有序自組裝多級(jí)結(jié)構(gòu)—以8{111}面以及4個(gè){110}面組成的十二面體單體通過(guò)取向連接(Oriented Attachment)機(jī)理,以相鄰晶體晶面的消失

5、,來(lái)降低體系的能量而得到。通過(guò)分子反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模擬,發(fā)現(xiàn)壓力對(duì)三甲胺分子在SnO2不同晶面的吸附作用的影響規(guī)律,以及其對(duì)晶粒聚集生長(zhǎng)的影響。為了進(jìn)了進(jìn)一步了解壓力對(duì)體系的影響,經(jīng)行了一系列溫度與壓力的正交實(shí)驗(yàn),對(duì)壓力的影響經(jīng)行了進(jìn)一步研究,發(fā)現(xiàn)壓力與溫度對(duì)體系結(jié)構(gòu)的形成有著相輔相成的作用。利用高分辨HRTEM,我們對(duì)大尺寸(100nm以上)顆粒之間生長(zhǎng)的OA機(jī)理經(jīng)行了深入研究,發(fā)現(xiàn)了從不完全的OA生長(zhǎng)到完美OA生長(zhǎng)的過(guò)程,而且發(fā)現(xiàn)曲率半徑

6、大的地方會(huì)優(yōu)先生長(zhǎng)。除此之外,我們對(duì)體系中顆粒之間的范德華力,庫(kù)倫力,靜電相互作用以及擴(kuò)散耗盡作用進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)壓力對(duì)體系中范德華力以及擴(kuò)散耗盡相互作用影響顯著,從而影響了體系中晶粒的聚集生長(zhǎng)行為。除此之外,我們對(duì)所得結(jié)構(gòu)的氣敏性質(zhì),以及電導(dǎo)率等經(jīng)行了研究,發(fā)現(xiàn)由于晶面的減少,減小了電子在不同晶面?zhèn)鬟f的晶界勢(shì)壘,從而使其氣敏性質(zhì)與分散的單體相比得到顯著提高。以乙醇為溶劑,F(xiàn)eCl3.6H2O為原料,通過(guò)高壓溶劑熱方法,成功將普通水熱條件

7、下單分散的α-F2O3片狀六面體,合成為有序的沿[100]方向定向排列的一維陣列結(jié)構(gòu),并且通過(guò)調(diào)節(jié)壓力范圍為50-200MPa,我們獲得了不同長(zhǎng)度的一維陣列,并且通過(guò)TEM以及SEM發(fā)現(xiàn)陣列的長(zhǎng)度與體系壓力的大小成正比。進(jìn)一步加深了對(duì)壓力對(duì)體系影響的了解。
  3.高壓溶劑熱合成大尺寸高結(jié)晶度SnS納米帶,以及其光敏、氣敏性質(zhì)的研究
  以油胺作為溶劑以及表面修飾劑,以無(wú)水SnCl2為原料,合成了長(zhǎng)為10-20um左右,寬為

8、2 um,厚為10 nm左右的SnS納米片,并通過(guò)XRD,HRTEM,以及光學(xué)顯微鏡對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,并且對(duì)其形成機(jī)理經(jīng)行探討。通過(guò)光刻,蒸鍍的方法制備了單片SnS傳感器件,發(fā)現(xiàn)利用高壓溶劑熱合成的傳感器件對(duì)NO2在常溫下有非常好的響應(yīng)以及選擇性,并且對(duì)532 nm波長(zhǎng)的光也表現(xiàn)出較好的響應(yīng)。另外,我們也加入Cu元素進(jìn)行摻雜,并通過(guò)maping發(fā)現(xiàn)Cu元素能很好的在SnS表面分布,為進(jìn)一步提高器件性能提供了有力前提。
  4.高壓

9、溶劑熱方法合成其他類(lèi)型的具有維度限制的硫化物
  利用上述方法,我們成功合成了具有特殊結(jié)構(gòu)的SnS2,MoS2,以及β-In2S3,以及石墨烯摻雜,C摻雜的MoS2.通過(guò)XRD,HRTEM,mapping等測(cè)試對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。合成的SnS2與SnS的結(jié)構(gòu)相似,而MoS2為2nm左右厚的單層納米片,并且通過(guò)更換鉬源成功的到了碳摻雜以及石墨烯摻雜的MoS2,β-In2S3的結(jié)構(gòu)為長(zhǎng)度為40 um的納米帶。通過(guò)進(jìn)行普通溶劑熱反應(yīng)進(jìn)行對(duì)

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