納米尺度固液界面氣體的富集.pdf

1、固液界面的研究，因其在生物學(xué)和膠體與界面科學(xué)中的重要性一直是國(guó)內(nèi)外科學(xué)界研究的熱點(diǎn)。納米尺度下氣體在固液界面的富集會(huì)對(duì)許多學(xué)科特別是表面和界面科學(xué)、納米科技和生物學(xué)產(chǎn)生重要的影響。但在理論和實(shí)驗(yàn)中仍然存在著很大爭(zhēng)議。一方面，理論上還無(wú)法解釋納米氣泡的長(zhǎng)期穩(wěn)定存在。另一方面，一些實(shí)驗(yàn)中由于表面疏水化的不可控性和氣體來(lái)源的復(fù)雜性，容易導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果的不可重復(fù)性或引起實(shí)驗(yàn)假象。本論文主要采用可控地產(chǎn)生單一氣體的方法和原子力顯微鏡(AFM)觀測(cè)相

2、結(jié)合的體系來(lái)驗(yàn)證納米氣泡的真實(shí)存在，并進(jìn)一步研究這些氣體在固液界面上的富集狀態(tài)、形成條件、穩(wěn)定機(jī)制和基本性質(zhì)。
　　 首先，利用電化學(xué)方法在原子級(jí)平整的疏水高序熱解石墨(HOPG)電極表面上可控地產(chǎn)生了納米級(jí)的氫氣氣泡。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，納米氣泡的產(chǎn)生需要一個(gè)大約-1.2 V的臨界電壓。納米氣泡的大小和數(shù)量受控于所加的電解電壓和反應(yīng)時(shí)間：電壓越高，產(chǎn)生的納米氣泡的數(shù)量越多、氣泡越小；反應(yīng)時(shí)間越長(zhǎng)，納米氣泡數(shù)量越多或氣泡越大。在恒定的電壓

3、下，隨著反應(yīng)時(shí)間的增長(zhǎng)，納米氣泡經(jīng)歷從無(wú)到產(chǎn)生、變多和消失的過(guò)程。其次，基于對(duì)納米氣泡基本性質(zhì)的掌握和分子動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果，提出了納米氣泡的長(zhǎng)期穩(wěn)定的原因可能來(lái)源于它的高的內(nèi)部密度。計(jì)算結(jié)果表明高密度的納米氣泡的壽命可以達(dá)到實(shí)驗(yàn)可觀測(cè)的時(shí)間范圍。利用納米氣泡具有高密度原理有望發(fā)展為一種新的常溫常壓儲(chǔ)氫的方法。另外，研究了溫度變化導(dǎo)致過(guò)量氣體在固液界面上富集情況。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在水和酸溶液中氣體可以以雙層和三層結(jié)構(gòu)存在，這些氣層結(jié)構(gòu)的高度從低到高

4、依次分布。借助于AFM針尖的作用或放置一段時(shí)間，納米氣層就會(huì)進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為納米氣泡。最后，計(jì)算了納米氣泡重要的物理量：接觸角。得到了重要的實(shí)驗(yàn)結(jié)果：在親水的云母表面上納米氣泡的接觸角比疏水HOPG表面上的納米氣泡的接觸角小得多；納米氣泡的接觸角隨著它們高度的增加而變小；氫氣納米氣泡的接觸角與空氣納米氣泡的接觸角相比，在氣泡高度較低的情況下它們的接觸角沒(méi)有明顯不同，但當(dāng)高度繼續(xù)變高，氫氣納米氣泡的接觸角略高于空氣納米氣泡的接觸角；納米尺度的