论文部分内容阅读
过渡金属氧化物和氢氧化物具有种类繁多的结构形式和丰富多样的物理化学性质，在光学、电学、磁学和催化等众多领域中都有着重大的应用价值。本文以过渡金属氧化物和氢氧化物作为研究对象，以探索这些纳米材料的简单、环境友好及形貌可控的制备方法为目的，综合运用各种方法如水热法、液相沉淀法、超声化学法和热分解法等合成了多种具有特定形貌的过渡金属氧化物和氢氧化物纳米结构材料，并对它们的性能进行了研究。
㈠离子液体是由阴离子和阳离子组成的在室温或近于室温下呈液态的盐类，作为一种新型绿色溶剂，在无机纳米材料合成领域中的应用研究有待加强。采用离子液体辅助液相法制备了α-MnO2纳米材料，研究了离子液体1-丁基-3二甲基咪唑四氟硼酸盐([BMIM]BF4)在α-MnO2纳米材料形成过程中所发挥的作用。基于MnCl2-KMnO4氧化还原体系，[BMIM]BF4的加入促进了层状中间产物的剥离，有利于孔道结构MnO2分子筛的形成，[BMIM]BF4在该体系中作为结构导向剂。在KMnO4-[BMIM]BF4反应体系中，采用[BMIM]BF4作为还原剂90℃反应60min制备了直径为3-6 nm的α-MnO2纳米棒。论文对这两个体系中纳米针和纳米棒的形成机制进行了探讨。以尿素为沉淀剂采用共沉淀法在超声作用下成功制备了不同形貌MnCO3，研究了超声及不同表面活性剂对产物形貌的影响。反应体系中引入阴离子表面活性剂AOT有助于得到分散的MnCO3立方体颗粒；若引入SDS则得到多孔的椭球形MnCO3，经HRTEM和SAED照片验证该结构为5 nm左右的纳米颗粒定向排列而成的介观晶体，并对该定向聚集体的形成机理进行了探讨。以不同形貌MnCO3作为前驱物采用热分解法得到单相Mn2O3，均成功地保持了原材料的形貌并产生多孔结构；而由纳米粒子定向排布形成的椭球形MnCO3热分解后其定向结构遭到破坏，形成多晶体结构。用一种简单的低温液相反应制备了Mn3O4多面体纳米颗粒，微波加热Mn(CH3COO)2和(CH2)6N4水溶液至80℃保温60 min得到Mn3O4菱形体和立方体纳米颗粒。对不同粒径的Mn3O4纳米颗粒进行了磁学性能测试。Mn3O4纳米颗粒表现为低温铁磁性，磁学性能对尺寸敏感，样品的小尺寸可能是造成饱和磁化强度减小的主要原因。
㈡采用Cu2(OH)3Cl→Cu(OH)2→CuO多步合成路线制备了CuO纳米结构材料。室温下采用两种铜盐CuCl2和Cu(CH3COO)2的水溶液反应合成Cu2(OH)3Cl片状单晶体，以该前驱体为铜源，引入NaOH制备Cu(OH)2束状结构，该结构是由平行排列的纳米棒构成。反应过程中不需要引入表面活性剂和聚合物，使反应易于操作，仍能得到复杂结构纳米材料，以便后续以Cu(OH)2为模板合成CuO纳米结构材料。固相热处理Cu(OH)2仍得到由纳米棒构成的束状结构CuO，纳米棒由10 nm左右有一定取向的纳米颗粒构成。将束状Cu(OH)2在碱性和中性溶液中水热处理得到CuO交叉纳米片，研究了反应温度和碱浓度对产物的影响。3.发展了一种醇水混合体系(乙醇、乙二醇和丙三醇)通过乙酸盐水解水热制备氢氧化物纳米结构材料的方法，并以氢氧化物纳米结构材料为模板热分解制备了相应氧化物纳米结构材料。在热分解转化过程中，氢氧化物既作为前驱物又作为模板，使氧化物能够完好保持氢氧化物的形貌。通过这种方法成功制备了Ni(OH)2和Co(OH)2纳米片、由纳米片构成的花状和康乃馨结构，系统地研究了各种实验参数对产物物相和形貌的影响。花状和康乃馨结构Ni(OH)2和Co(OH)2的形成表明：复杂三维结构的形成是一个缓慢的反应过程，醇类的加入有效改善了溶剂的性质，影响了材料的成核和生长过程，从而得到奇特的形貌。以Ni(OH)2和Co(OH)2为前驱物，通过热分解成功制备了花状和康乃馨结构的NiO和Co3O4纳米材料。研究了纳米片和纳米片组装而成的康乃馨结构的Ni(OH)2电化学性能，循环伏安测试分析表明电化学性能对材料形貌的依赖性。康乃馨结构的电化学性能不同于其结构单元纳米片，具有较好的可逆性和充电效率。