离子液体辅助合成功能纳米材料的研究

论文摘要

无机纳米材料具有迥异于本体材料的独特物理化学性质,因而受到了人们的广泛关注。无机纳米材料的性质依赖于它的尺寸和形貌,因此制备尺寸和形貌可控的无机纳米材料已成为目前科学研究的热点。离子液体作为一种新兴的绿色溶剂,具有很多特殊的功能。利用离子液体可以合成出新型的或者具有特殊性能的无机纳米材料,为纳米材料的制备开辟了一条新的途径。然而,离子液体中无机纳米材料的生长机制和制得材料的性能研究还处于初级阶段。鉴于此,本论文通过离子液体辅助合成法制备了氧化锌（ZnO）纳米材料和碳纳米管/铂（CNTs/Pt）复合材料,用X射线粉末衍射仪（XRD）、扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）和荧光光度计（PL）等对样品进行了分析和表征。深入研究了离子液体中无机纳米材料的生长机制以及所制得材料的性能,阐明了离子液体中无机纳米材料的生长机制以及所获得无机纳米材料性能的优越性。本论文的具体内容如下：第一章简要介绍了纳米材料的特性和制备方法,同时介绍了离子液体的结构与特性以及其在无机纳米材料合成中的应用。在此基础上提出了本课题的研究目的及内容。第二章研究了微波辅助加热法在离子液体前驱体四丁基氢氧化铵（TBAH）由快速合成ZnO纳米材料,合成出多种新颖的ZnO纳米材料。反应体系简单,TBAH同时具有溶剂,微波吸收剂,反应物和“形状控制剂”的作用。考察了锌盐的浓度,锌盐的种类以及离子液体中含水量等参数对所制ZnO材料的影响。所合成的典型的ZnO形貌是小颗粒构成的ZnO纳米微球,通过控制合成条件还可以获得ZnO花状颗粒,纳米片以及纳米片聚集体等。通过对生长机制的研究,我们发现所制得的ZnO纳米材料是基于初生的ZnO纳米颗粒的自组装而形成的。对所合成的ZnO纳米材料的室温荧光光谱性质研究发现其在575nm处有一个宽的绿色荧光峰,表明所合成的ZnO结构中存在大量氧缺陷；对所合成的ZnO纳米材料的光催化活性研究,发现该材料可以有效的光催化降解染料分子罗丹明B,因而我们所制得的Zn0纳米材料在光催化降解领域具有广阔的应用前景。第三章研究了多种离子液体前驱体（四丁基氢氧化铵,TBAH;四乙基氢氧化铵,TEAH;四甲基氢氧化铵,TMAH;苄基三甲基氢氧化铵,BTMAH）中锌片上ZnO纳米阵列结构的构筑,合成出六棱柱结构的ZnO纳米棒、刺猬状ZnO微球和片状结构ZnO颗粒。考察了离子液体种类和浓度对产物形貌的影响,发现离子液体的种类对所获得的氧化锌纳米阵列具有重要的影响。通过对生长机制的研究发现不同离子液体对ZnO形貌的影响是由于离子液体的分子结构不同导致离子液体阳离子与ZnO初生颗粒的静电作用力不同的结果。鉴于基底上构筑无机纳米阵列往往是构筑纳米器件的必备过程,我们利用离子液体前驱体在锌片上成功构筑出多种氧化锌纳米阵列,该类阵列为新型氧化锌纳米器件的发展打下了基础。第四章研究了以抗坏血酸（AA）为还原剂,1-丁基-3-甲基咪唑氯盐（[BMIM]C1）离子液体辅助合成碳纳米管（CNT）复合材料的有效途径,成功制备出CNTs/Pt纳米复合材料。考察了离子液体的浓度、铂盐的浓度对所合成的CNTs/Pt复合材料的形貌的影响,主要阐明金属铂颗粒与碳纳米管复合的最佳条件。研究发现,离子液体的浓度对Pt颗粒的尺度及其在CNTs的分布具有重要的影响,Pt颗粒的尺度随离子液体浓度的增加而减小。根据实验结果,我们提出了离子液体与CNTs之间的π-π相互作用是金属铂颗粒与碳纳米管之间的复合机制。循环伏安研究发现所制得的CNTs/Pt复合材料对K3Fe（CN）6具有较高的电化学响应信号,并且电催化活性随碳纳米管复合材料中的Pt颗粒的尺度减小而增大。此外,所得CNTs/Pt复合材料可以有效催化甲醇的氧化过程。此合成方法简单,不需要额外的添加剂,因而具有广阔的应用前景。第五章总结了本论文的结论,并概述了本论文的创新点与不足。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 纳米技术与纳米材料
• 1.2 纳米材料的制备方法
• 1.2.1 物理方法
• 1.2.2 化学方法
• 1.3 离子液体概述
• 1.3.1 离子液体的种类
• 1.3.2 离子液体的性质
• 1.4 离子液体在无机纳米材料制备中的应用
• 1.5 研究目的和主要内容
• 参考文献
• 第二章 离子液体辅助微波法制备氧化锌纳米材料
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 实验原料与仪器
• 2.2.2 实验过程
• 2.2.3 产物表征
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 X射线衍射
• 2.3.2 典型形貌及生长机理
• 2.3.3 温度的影响
• 2.3.4 浓度的影响
• 2.3.5 溶液pH值的影响
• 2.3.6 光学性能
• 2.3.7 光催化活性
• 2.4 本章小结
• 参考文献
• 第三章 离子液体辅助在锌片上制备氧化锌纳米材料
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 实验原料与仪器
• 3.2.2 实验过程
• 3.2.3 产物表征
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 X射线衍射
• 3.3.2 在TBAH中制得ZnO的形貌与生长机理
• 3.3.3 在TEAH中制得ZnO的形貌与生长机理
• 3.3.4 在TMAH中制得ZnO的形貌
• 3.3.5 在BTMAH中制得ZnO的形貌
• 3.3.6 离子液体作用
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 第四章 离子液体辅助制备碳纳米管/铂复合材料
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 实验原料与仪器
• 4.2.2 实验过程
• 4.2.3 产物表征
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 X射线衍射
• 4.3.2 产物形貌
• 4.3.3 Pt含量的影响
• 4.3.4 离子液体含量的影响
• 4.3.5 生长机理
• 4.3.6 电化学性能
• 4.4 本章小结
• 参考文献
• 第五章 结论
• 5.1 主要结论
• 5.2 论文的创新点与不足
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表论文
• 学位论文评阅及答辩情况表