納米功能材料的組裝與性能研究.pdf

1、隨著納米科學(xué)的發(fā)展，人們已經(jīng)可以控制納米材料的基本性質(zhì)，而制成能適合某種實(shí)際應(yīng)用的特殊功能材料。通過(guò)一定的組裝技術(shù)對(duì)納米材料進(jìn)行再設(shè)計(jì)，從而使得原子或者分子按照自己的意愿進(jìn)行排列，構(gòu)筑出特殊的結(jié)構(gòu)體系和花樣，使其具有其他材料所沒(méi)有的特殊優(yōu)越性能。因此，我們嘗試不同的制備方法分別合成了不同維數(shù)的納米材料，為后期的組裝提供原料基礎(chǔ)；同時(shí)，利用不同的組裝技術(shù)對(duì)材料進(jìn)行組裝，形成特定結(jié)構(gòu)并進(jìn)行光、電、磁等性能的研究。主要研究?jī)?nèi)容包括：
　

2、　 ⑴分別合成不同維數(shù)的納米材料包括：零維的量子點(diǎn)，一維的鈦酸鹽納米晶須和納米棒，準(zhǔn)二維結(jié)構(gòu)的納米片，還實(shí)現(xiàn)了一維多壁碳納米管的表面修飾。其具體內(nèi)容包括以下幾點(diǎn)：①利用溶膠-凝膠法制備出氧化鋅量子點(diǎn)，通過(guò)透射電鏡分析，量子點(diǎn)具有良好的單分散性，大小均一約為4nm。②分別利用超聲過(guò)程中，濃硝酸和臭氧氧化，對(duì)多壁碳納米管進(jìn)行管帽開(kāi)口和表面改性處理。分別討論硝酸濃度、回流時(shí)間、以及反應(yīng)溫度、臭氧溶劑以及氧化時(shí)間對(duì)碳納米管修飾效果的影響。用F

3、T-IR光譜分析了碳納米管的表面修飾；用Raman光譜和TEM分析碳納米管的結(jié)構(gòu)形貌。另外，分析了碳納米管在離子液體中的分散性、溶解性；并用電導(dǎo)率的變化，分析了碳納米管對(duì)離子液體導(dǎo)電性能的影響。③以偏鈦酸為鈦源與無(wú)水碳酸鉀以不同比例混合，利用高溫固相法分別成功制備出六鈦酸鉀納米晶須與四鈦酸鉀納米棒，并通過(guò)不同的后續(xù)水熱反應(yīng)考察了晶須和納米棒的水解物相轉(zhuǎn)化過(guò)程。利用XRD、SEM等測(cè)試手段表征了水熱反應(yīng)過(guò)程中的物相轉(zhuǎn)化與形貌變化，考察了其

4、產(chǎn)物中的TiO2成分的光催化性能，發(fā)現(xiàn)其中銳鈦礦納米TiO2具有優(yōu)異的可見(jiàn)光光催化性能。④采用插層剝離工藝，制備出了準(zhǔn)二維TiO2納米片(TNS)、MnO2納米片(MNS)及TiTaO5納米片溶膠。同時(shí)，利用本組發(fā)明的新型螺桿研磨機(jī)進(jìn)行對(duì)層狀化合物的機(jī)械剝離，制備了高濃度、高質(zhì)量的Ti5NbO14、TiNbO5和TiTaO5納米片。通過(guò)XRD、SEM、AFM、TEM、PL等測(cè)試方法表征了納米片結(jié)構(gòu)形貌與性能，并測(cè)試其Zeta電位，判斷納

5、米片的帶電性，結(jié)果表明納米片均具有很薄的厚度，表面帶負(fù)電荷，在分散介質(zhì)中能穩(wěn)定存在，具有明顯的丁達(dá)爾現(xiàn)象。
　　 ⑵對(duì)表面修飾后的多壁碳納米管進(jìn)行組裝與性能測(cè)試。利用一步原位水解法合成了Fe3O4包覆的磁性碳納米管復(fù)合物，它對(duì)外加磁場(chǎng)有很強(qiáng)的感應(yīng)性，是一種新型的優(yōu)良軟磁材料。對(duì)碳納米管引入有機(jī)官能團(tuán)修飾來(lái)合成納米復(fù)合材料已經(jīng)成為一種發(fā)展趨勢(shì)。通過(guò)自組裝技術(shù)，利用功能化多壁碳納米管表面的巰基與ZnO量子點(diǎn)進(jìn)行共價(jià)偶合，形成一種具有

6、特殊序列的ZnOQDs/f-MWCNT異質(zhì)結(jié)構(gòu)。通過(guò)這種強(qiáng)的Zn-S鍵錨接形成的ZnO/MWCNT異質(zhì)結(jié)構(gòu)，非常穩(wěn)定。通過(guò)TEM、SEM、FT-IR、EDS、UV-Vis和PL等表征技術(shù)分析測(cè)試了量子點(diǎn)與碳納米管的異質(zhì)結(jié)構(gòu)的形貌、穩(wěn)定性、光學(xué)、電學(xué)和光電轉(zhuǎn)換性能，發(fā)現(xiàn)這是一種獨(dú)特異質(zhì)結(jié)構(gòu)的負(fù)溫度系數(shù)半導(dǎo)體材料，具有熒光猝滅和吸收光譜紅移等特點(diǎn)。并將其應(yīng)用在染料敏化太陽(yáng)能電池上，并測(cè)試開(kāi)路電壓和閉路電流。最后得出結(jié)論：碳納米管的引入，能提

7、高電子傳輸速率，增強(qiáng)光電流和光電壓。
　　 ⑶對(duì)準(zhǔn)二維結(jié)構(gòu)的納米片進(jìn)行了組裝與性能研究。①通過(guò)靜電層層自組裝(LBL)方法實(shí)現(xiàn)納米片自組裝，形成納米片與高分子正電性聚合物的均質(zhì)薄膜以及異質(zhì)薄膜。用UV-Vis吸收光譜原位表征了組裝層數(shù)與吸光度的線(xiàn)性關(guān)系，復(fù)合薄膜還拓展了吸光范圍。納米片的LBL組裝是連續(xù)、均一、可控的，也證明了納米片在分散體系中的穩(wěn)定性和高分散性。另外，還研究了鋰離子在薄膜中的嵌入和脫出，說(shuō)明LBL薄膜層狀結(jié)構(gòu)在

8、鋰離子電池方面的應(yīng)用前景。②利用靜電沉積組裝方法(ESD)將TiTaOs納米片溶膠與稀土金屬離子沉降，得到高效發(fā)綠光和紅光的納米片固體發(fā)光材料復(fù)合物。通過(guò)XRD、TEM、EDS、UV-Vis、PL等分析方法對(duì)復(fù)合物的結(jié)構(gòu)、形貌、能量傳遞和熒光性能進(jìn)行研究。復(fù)合物為層狀結(jié)構(gòu)，主要依靠帶正電的稀土金屬離子與帶負(fù)電的納米片的靜電吸引沉積而成。將稀土離子的溶液換成鹽酸溶液時(shí)，納米片溶膠同樣發(fā)生了ESD沉積，形成絮狀沉淀。通過(guò)BET測(cè)試和光催化降