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自碳纳米管发现以来,一维纳米材料因结构新颖、性能优异、前景广阔而日益引起人们的重视,其相关研究和应用已成为充满竞争、挑战和机遇的前沿领域。发展新的合成方法、拓展新的材料体系、探索生长机制是该领域中重要的基础性前沿课题.本论文围绕Ⅲ族氮化物、铬基化合物、碳氮纳米管等典型一维纳米材料,在发展新的合成方法、揭示制备规律和生长机制、产物结构和性质表征等方面开展了比较系统深入的研究,主要结果如下:
1.探索了一条A1N纳米结构的制备规律,实现了多种A1N纳米结构的可控调变。虽然各种A1N纳米结构(如管、线、带、锥、膜等)已被成功制备出来,但各种A1N纳米结构的方便、可控合成仍是个难题,同时角面的A1N纳米线还鲜有报道。作者通过在不同条件下直接氮化铝粉便可方便地得到几种氮化铝纳米结构,只要简单地调变反应温度或改变反应程序就可在镀金硅片上得到锥形纳米花、纳米线、准纳米锥阵列、多晶薄膜。据此制备规律推断了锥形纳米花生长的四步骤机制,并以此解释了其他几种纳米结构。此外还通过直接氮化铝粉在纯硅片上沉积得到了四边形和三角形截面的A1N纳米棒,对于丰富A1N一维纳米结构具有积极意义.
2.发展了利用惰性盐分散作用提高低熔点金属的蒸汽压、从而在温和条件下制各低熔点金属氮化物和氧化物纳米结构的技术路线。GaN纳米线是十分重要的光电纳米材料,引起人们持续而广泛的兴趣.至今绝大多数合成路线都要求高温(高于900℃)条件.作者通过添加惰性盐分散金属Ga,使得金属Ga在650℃就有足够的蒸汽压,成功地在硅片上低温制备出大面积的GaN纳米线,产物具有明显的场发射性能。应用惰性盐的分散作用,作者还成功地在较低温度下合成出其他低熔点金属氮化物和氧化物纳米结构,如A1N纳米线、Ga2O3纳米线(带)、SnO2纳米线(带)、In2O3纳米线(片),合成温度较同类报道的下降了150-450℃.
3.发展了一条简单实用的原位氯化物转移新技术路线.以此新技术路线合成了一系列新型铬基化合物纳米结构,包括CrN纳米线、CrSi2纳米线和氮化硅包裹的铬基化合物纳米电缆,克服或避免了直接采用金属氯化物所必须面对的高腐蚀性、强毒性、易潮解、操作过程复杂、成本高等诸多弱点.以此方法还合成了AIN、TiSi2纳米结构,表明该方法对于其它高熔点单质化合物纳米结构的低温合成具有一定的普适意义.
4.新颖CNx纳米结构的制备.根据团簇生长机制的思路,考虑键能的影响,通过选取新的前驱物——五氯吡啶,采用溶剂热方法合成了高吡啶N含量的CNx纳米管和纳米带,实验结果进一步支持团簇生长机制。利用CNx纳米管中的吡啶N与过渡金属原子的键合能力,在所得新颖高吡啶N含量的CNx纳米带和纳米管载体上方便地嫁接了过渡金属Pt、Ni等纳米粒子,成功构建了Pt/CNx、Ni/CNx,复合纳米材料,在燃料电池、催化等领域有应用前景。