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纳米材料以其所具有的独特性质和在电子学、光学、磁学、催化及生物医学等研究领域潜在的应用价值,已成为材料科学领域的研究热点。探索和发展简单、新颖的低维纳米材料的液相合成方法,揭示低维纳米材料的微观结构和形成机制,以指导进一步的实验研究和应用开发,对于当今纳米技术的发展是一个具有挑战性的课颗。我们在用液相水热法可控合成低维纳米材料时,选用了多功能的表面活性剂,使反应体系简单化,这样不但有利于规模化合成纳米材料,而且便于研究纳米材料的生长机理。本论文用简单方法合成了一系列低维金属、过渡金属氢氧化物和氧化物纳米材料,分析探讨了纳米材料的生长机理,并对部分材料的相关性能作了研究,结果发现本方法具有一定的普适性,可以推广合成其他的金属纳米线和低维氢氧化物或氧化物纳米材料。
具体研究内容如下:
1选用非离子型表面活性剂十八烷基胺作为还原剂和保护剂,在水热条件下合成了超长金属铜纳米线,所得铜纳米线的长径比可达105,讨论了反应条件(浓度、温度、时间)对产物形貌、尺寸的影响,并对其生长机理作了研究。
在水热条件下,不同碳链长度的脂肪族伯胺均可以作为还原剂来还原Cu2+,其还原性与烷基胺的碳链长度成正比,该类反应可以推广合成金属银纳米线。
以所合成的超长金属铜纳米线铜为衬底,研究了吡啶分子和荧光染料分子罗丹明(rhodamine)在其上的拉曼增强效应(SERS)。
2以多功能的表面活性剂烷基胺为反应物(作为碱性试剂、还原剂和保护剂),设计合成了Cu2O八面体块,并对其生长机理进行了探讨。烷基胺在高表面能晶面上的选择性吸附对Cu2O八面体块的形成起调控作用。选用烷基胺作为碱性试剂和软模板剂,在水热条件下形貌尺寸可控地合成了β-Ni(OH)2纳米片和ZnO微米棒,分析了其生长机制,并对所合成ZnO的光致发光性质作了研究。合成热反应中使用不同碳链长度的烷基胺得到了不同尺寸大小的β-Ni(OH)2纳米片。
以所合成的氢氧化镍为前驱体,通过控制热分解反应的升温速率,分别得到了多晶和单晶NiO纳米片。氧化镍纳米片作为锂离子二次电池的负极材料,充放电测试结果显示具有较高的比容量和很好的循环性能。
3通过改变反应介质,将合成二维β-Ni(OH)2纳米片的方法推广合成了Mg(OH)2纳米片,并以此为前驱体,结晶度可控地合成了MgO纳米片。
用溶剂热法合成了以纳米片为结构单元自组装形成的花状氢氧化钴和氢氧化镍微米球,并以此为前驱体合成了具有相同形貌的Co3O4和NiO花状微米球,同时对Co3O4花状微米球的储锂性能进行了研究。
用溶剂热法可控合成了CoO和Co3O4纳米纤维和纳米立方块,讨论了其形成机理,并推广合成了SnO2纳米颗粒。
4将前述合成方法进行拓展,设计合成了α-FeOOH方形纳米管,所合成α-FeOOH纳米管的直径与所用模板剂烷基胺碳链长度成正比,实验中所用烷基胺既是碱性试剂,又是纳米管赖以形成的模板剂。通过热分解得到了α-Fe2O3多孔纳米棒。