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近二十年来,随着现代微电子技术的飞速发展,各种光电子器件的微型化对材料提出了纳米化要求。一维纳米材料的合成和性能研究引起了科学界的极大兴趣和广泛重视,人们利用各种方法陆续合成了多种一维纳米材料。其中研究最多,最具有代表意义的一维实心纳米材料,就是指在二维方向上为纳米尺度,长度比二维方向上的尺度大得多,甚至为宏观量的纳米材料。它包括纵横比小的纳米棒,以及纵横比大的纳米线。其中纳米线作为纳米材料中的重要一员,因其奇特的光、电、磁性能致使它们在磁性材料、电子材料、光学材料及功能复合材料等方面有广阔的应用前景。因此,高质量纳米线的制备是当今纳米材料研究的热点领域之一。人们已经用模板法、聚合法、化学气相沉积法、激光沉积法、蒸发冷凝法等化学和物理方法成功制备了多种纳米线。由于模板具有限域能力,容易调控所制材料的尺寸及形状;而且在模板中可以根据需要,设计组装多种纳米结构的有序阵列,进而构筑原型功能纳米器件,因此模板合成法已迅速发展成为一种十分重要的制备纳米材料的方法。介孔分子筛SBA-15的合成条件温和,模板剂很容易除去,且不会引起结构坍塌,所以SBA-15可以作为一种理想的硬模板来合成各种无机纳米材料及杂化材料。
本文研究了介孔分子筛SBA-15的合成及其修饰改性,并以此为模板合成钴基氧化物纳米线,并研究了相关的化学性能。主要内容有:
(1)采用三嵌段共聚物聚环氧乙烷一聚环氧丙烷-聚环氧乙烷(P123)为模板,正硅酸四乙酯为硅源,酸性条件下合成介孔分子筛SBA-15。并采用含Cl和NH2官能团的硅烷偶联剂,对SBA-15的表面进行修饰,以实现保护外表面和调节孔径、改性内表面的目的。以P123为模板合成的SBA-15,采取先修饰后除模板的方式,可以对其进行外表面修饰,实现保护模板外表面硅羟基的目的,然后对外表面修饰的SBA-15进行锻烧除去P123,然后再进行接枝,可以实现对其内表现进行修饰的目的。采用多种表征方法对其形貌和性质进行表征,研究其修饰机理。
(2)基于SBA-15为模板合成不同直径的Co3O4纳米线。采用不同的有机硅烷偶联剂修饰过的SBA-15介孔分子筛为模板,在其有序孔道中填充了Co(NO3)2·6H2O并在500℃下热处理2h,除去SBA-15模板后成功地合成了两种不同直径的Co3O4纳米线。采用XRD、SEM、TEM、HRTEM和N2吸附脱附等多种手段对样品的形貌和微结构等进行了表征和分析。XRD和HRTEM结果表明所得两种不同直径的Co3O4纳米线结晶性都很好。同时我们还将所得直径较小的的Co3O4纳米线作为锂离子电池的正极材料,测试了其电化学等方面的相关性能。结果表明所得Co3O4纳米线电极的首次放电容量为1107 mAh g-1。此外,Co3O4纳米线电极的第二次放电容量为602 mAh g-1,20次循环后,其放电容量保持在400 mAh g-1。
(3)基于SBA-15为模板合成不同直径的NiCo2O4纳米线。利用介孔分子筛SBA-15中的孔道为模板,通过对SBA-15内外表面有意识地进行各种不同的修饰以提高其化学反应活性,成功地在其有序排列的纳米孔道中生长NiCo2O4纳米线,并探讨了烧结温度对产品形貌的影响。通过XRD、TEM、HRTEM和N2吸附脱附等多种测试手段对样品的形貌和微结构等进行了表征和分析。结果表明,在800℃烧结条件下采用两种SBA-15模板所合成的NiCo2O4纳米线其形貌要好于600℃条件下的NiCo2O4纳米线。N2吸附—脱附测试也得到了相同的结果。同时,我们还对其进行了磁性方面的测试,磁性测试结果表明800℃条件下制备的NiCo2O4纳米线(APTS-NiCo2O4-800)在室温下具有铁磁性。