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金属氧化物半导体纳米材料因其优异的磁、光、热、催化、电性能等,近些年被广泛用于太阳能电池、储氢、光催化、传感器、锂离子电池、光电材料、纳米装置等领域。科学人员的研究表明,材料的性能取决于其晶型、形貌、尺寸等。因此合成一定形貌、结构、物相和组成的金属氧化物半导体纳米材料成为近几年研究的热点。
功能化离子液体不仅可以作为模板剂、溶剂,还可以作为反应物参加反应,近年来已广泛用于无机纳米材料的合成。
本论文的主要内容包括如下几点:
1.首次使用碱性离子液体[Bmim]OH辅助合成偏钛酸纳米管,焙烧偏钛酸纳米管得到锐钛矿TiO2纳米管。反应体系通过调节[Bmim]OH和NaOH的比例、水热温度和焙烧温度等实验参数,成功合成热稳定性高的锐钛矿TiO2纳米管。在反应过程中,[Bmim]+吸附在偏钛酸HxTi2-x/4□x/4O4·H2O(x~0.7,□代表空位)的(110)面,焙烧时偏钛酸分解,偏钛酸层间脱水,通过拓扑过程转变成锐钛矿TiO2纳米管,470℃焙烧得到的锐钛矿TiO2纳米管中仍含有部分未分解[Bmim]+,此时[Bmim]+吸附在锐钛矿的(101)面,但是继续升高焙烧温度,[Bmim]+分解加剧,纳米管不能继续保持管状结构,坍塌成纳米棒和纳米颗粒。在整个过程中,[Bmim]OH加强了纳米管的热稳定性。并将锐钛矿TiO2纳米管用于紫外催化对氯苯酚,光催化性能优异。
2.通过调节HNO3用量,水热温度,水热时间等实验参数,合成了WO3纳米结构,WO3·H2O和WO3混合相的纳米结构。HNO3用量影响产物的形貌和物相结晶度。实验中合成WO3·H2O可以通过拓扑转变,脱水缩合成WO3。
将实验合成的WO3纳米片用于气敏元件,发现对丙酮有显著的选择性,而且在240℃的工作温度下,对100 ppm的丙酮的灵敏度为34.3,300℃工作温度时对100 ppm的丙酮灵敏度达到359.8,说明样品对丙酮气敏元件的广阔应用前景。
3.在保证Zn源,Sn源和OH的摩尔比为2:1:8,合成纯相Zn2SnO4(ZTO)的前提下,通过调节前驱物的浓度,成功合成ZTO八面体分级结构。调节前驱物的浓度,发现产物形貌随前驱物浓度的不同而发生改变,具体机理解释需要进一步研究。
将合成的ZTO八面体分级结构用于锂离子电池,电池性能良好,第一周放电容量为1629.9 mAh/g,其他形貌的ZTO结构的锂电性能需要进一步研究。