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功能半导体纳米材料的形貌可控合成、表征及性能研究

作　者: 连加彪
导　师: 郑文君
学　校: 南开大学
专　业: 材料物理与化学
关键词: 功能半导体纳米材料离子液体溶剂化学形貌可控合成性能研究
分类号: TB383.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

功能半导体纳米材料因其优异的催化、感应、电、光、热、磁性能,在催化、传感器、光电材料、太阳能以及纳米装置方面具有非常广泛的潜在应用价值,并且科学研究表明材料的性能取决于其形貌和尺寸。因此,近几年,科研人员在功能半导体纳米材料的形貌可控合成方面做了很大的努力,也取得了非常好的成果。然而,这些传统的合成方法(如前驱体热分解法、化学气相沉积法(CVD)、电化学沉积法、和硬模板法等)具有很大的缺点,如耗时、高温、成本昂贵且不利于产品的大量合成及市场化生产等。与传统的合成方法相比,被称为“软方法”的溶剂化学法可以提供一种可选择的、方便的、环境友好的低温路线去合成具有可控形貌的无机功能纳米材料。离子液体作为一种新型的可以替代传统有机溶剂的高效绿色溶剂,在学术界和工业界引起了广泛的关注。由于其优异的物理和化学性能,如无毒、无可测蒸汽压、热稳定性好、溶解能力强、液态范围宽、结构可设计性和导电性好等,离子液体已经作为溶剂、反应物和模板剂应用在无机纳米材料的合成。本论文即是利用离子液体成功制备了具有优异性能的氮化物和氧化物纳米材料。本论文的主要内容包括如下几点：1、在非常温和的反应条件下,利用离子热方法或离子液体辅助水热合成方法,成功制备了多种功能半导体纳米材料,包括湍层氮化硼纳米片、多种形貌的α-氧化铁纳米结构和介孔γ-氧化铝纳米片。值得指出的是,这是第一次利用离子热方法成功合成氮化物；也是第一次利用离子热法在150℃成功地一步制备介孔γ-氧化铝纳米片,150℃是迄今为止一步合成氧化铝纳米晶的最低温度。2、在反应体系中,被称为环境友好绿色溶剂的离子液体起到多种功能,集前驱体、溶剂和模板剂的作用于一身。本论文证实,在水热条件下,离子液体的优异物化性能如极性,粘度和柔和度直接影响反应物的溶解度及转移能力,从而对目标产物的反应活性、形状、尺寸及物相都起到很大的影响；本论文也对离子液体的作用做了系统研究。3、基于详细的实验数据,我们提出了可能的反应机理,并用氢键π-π相互作用机理合理解释了这些纳米结构的生成。4、我们也对合成的氮化物和氧化物纳米材料的性质做了深入研究。5、我们利用多种表征手段对产物进行了表征,包括X-射线衍射(XRD)、X-射线光电子能谱(XPS)、傅立叶变换红外吸收光谱(FTIR)、紫外可见光谱(UV)、荧光光谱(PL)、场发射扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和高分辨透射电子显微镜(HRTEM)等。总之,本论文提出了成功制备具有可控形貌的功能半导体纳米材料的简便且环境友好的离子液体合成方法,并且证明了离子液体的使用有利于制备出具有新颖形貌和优异性能的纳米材料。我们希望此合成方法能够应用于制备其他具有独特性能的纳米材料。

全文目录

中文摘要  5-7
Abstract  7-12
Chapter 1 Foreword  12-24
  1.1 Nanomaterias  12-16
    1.1.1 The concept and characteristics of nanomaterials  12-13
    1.1.2 Functional semiconductor nanomaterials  13-14
    1.1.3 Techniques of nanomaterials fabrications  14-16
  1.2 Ionic Liquids  16-20
    1.2.1 The definition and history of ionic liquids  16-17
    1.2.2 The advantages of ionic liquids and the corresponding applications  17-20
  1.3 The main tasks of this dissertation  20-22
  References  22-24
Chapter 2 Ionothermal Synthesis of Turbostratic Boron NitrideNanoflakes at Low Temperature  24-41
  2.1 Introduction  24-26
  2.2 Experimental section  26-27
    2.2.1 Ionothermal synthesis of t-BN nanoflakes  26-27
    2.2.2 Characterization of samples  27
  2.3 Results and discussion  27-37
    2.3.1 Characterization  27-31
    2.3.2 Effect of the ionic liquid [Bdmim][BF_4]  31-35
    2.3.3 Effects of the other reactions  35
    2.3.4 Possible formation mechanism  35-37
    2.3.5 Optical properties  37
  2.4 Conclusions  37-38
  References  38-41
Chapter 3 Hematite (α-Fe_2O_3) with Various Morphologies:IonicLiquid-Assisted Synthesis, Formation Mechanism, and Properties  41-74
  3.1 Introduction  41-44
  3.2 Experimental section  44-46
    3.2.1 One-step synthesis of the α-Fe_2O_3 nanoparticles and mesoporous hollow microspheres in CH_3COOK system  44
    3.2.2 One-step synthesis of the α-Fe2O3 microcubes in NaOH system  44-45
    3.2.3 Two-step synthesis of α-Fe_2O_3 porous nanorods in NaOH system  45
    3.2.4 Characterization of samples  45-46
    3.2.5 Water treatment experiments  46
  3.3 Results and discussion  46-67
    3.3.1 Structure characterization  46-48
    3.3.2 Morphology characterization  48-52
    3.3.3 Effect of the ionic liquid [Bmim][Cl] on the formation of the α-Fe_2O_3 with various morphologies  52-56
    3.3.4 Possible formation mechanism  56-61
    3.3.5 Application in waste water treatment  61-64
    3.3.6 Optical properties  64-65
    3.3.7 Magnetic properties  65-67
  3.4 Conclusions  67
  References  67-74
Chapter 4 One-step Ionothermal Synthesis of γ-Al_2O_3 MesoporousNanoflakes at Low Temperature  74-91
  4.1 Introduction  74-76
  4.2 Experimental section  76-77
    4.2.1 Materials  76
    4.2.2 One-step synthesis of γ-Al_2O_3 mesoporous nanoflakes  76-77
    4.2.3 Instruments and characterizations  77
  4.3 Results and discussion  77-87
    4.3.1 Structure and morphology characterizations  77-82
    4.3.2 Possible formation mechanism  82-86
    4.3.3 Optical properties  86-87
  4.4 Conclusions  87
  References  87-91
Chapter 5 Conclusions and Future Work  91-92
Acknowledgments  92-93
Curriculum Vitae  93-94
Publications  94-95

功能半导体纳米材料的形貌可控合成、表征及性能研究

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