论文部分内容阅读
近年来，随着纳米科技的迅猛发展，作为基础研究和纳米器件开发中的关键环节，纳米材料的可控合成与组装已经引起了人们的广泛关注。只有切实解决这一难题，才能为充分发挥纳米材料的优越性、最终实现纳米材料的产业化提供保障。含钛纳米材料的典型代表，纳米二氧化钛和钛酸钙，在光电子器件、催化材料、气体敏感器等方面有着广泛的应用前景，一直是当今纳米材料领域研究的热点，对其进行可控合成和性能研究具有深远的意义，也是本论文的出发点。相对于传统的纳米材料制备方法，水热法是一种条件温和、环境友好的绿色合成方法。本论文首先对纳米材料和水热合成法的研究进展进行了简要概述，然后霞点回顾了二氧化钛和钛酸钙的课题研究背景，并根据这些背景提出了基于水热法可控制备与组装具有特殊形貌构型的二氧化钛和钛酸钙纳米材料的研究思路。本论文的主体实验部分主要包括以下四项研究内容：
(1)选取了多种有机试剂，通过调节水(溶剂)热的反应温度和时间，合成了一系列单一分散的锐钛矿型TiO2纳米晶体，并通过XRD、SEM、TEM、HRTEM、SAED等测试手段对实验结果进行深入系统的分析，找到了若干体系中锐钛矿TiO2先长大后收缩的特殊生长习性。同时还找到了可以合成金红石和锐钛矿混晶的草酸体系，并且通过改变相应的反应条件，既可以合成各种特殊的枝晶结构，又能调节金红石和锐钛矿的成分比例。最后，利用HCl在较低温度下合成了针状金红石TiO2纳米晶体自组装而成的绒球状结构，通过系统的实验研究发现了金红石纳米针具有先取向生长、后1D/2D转化的特殊陈化规律。
(2)通过对钛酸锂钾在醋酸和盐酸体系中的水热转化，制备了结构新颖的TiO2纳米材料：锐钛矿“纳米锯齿”和金红石“纳米竹筏”，通过XRD、SEM、TEM、HRTEM、SAED等测试手段对其结构进行表征，并与前驱体之间的晶体学关系对比，揭示了由前驱体到目标产物之间真正原子尺度上的原位拓扑学转化生长机理。通过轮流使用不同酸处理的方式，进一步证实了这一结论。最后通过对锐钛矿“纳米锯齿”和金红石“纳米竹筏”等TiO2复杂结构材料光催化性能的评价，找到了比商用P-25具有更高光催化活性的TiO2纳米复合材料。
(3)继承了传统水热法的低温低能耗、反应条件温和等优点，在无需晶种、模板、催化剂等外加试剂的条件下，用钛片/镀钛陶瓷基片和盐酸为原料，成功的可控生长了具有自组装纳米线、纳米棒、纳米树、纳米花、多孔纳米柱等多种形态的TiO2纳米阵列薄膜，通过XRD、SEM、TEM、HRTEM、SAED等测试手段对其物相结构、排列组装方式等进行了详细表征。通过改变反应时间和温度以及体系中HCI的浓度等实验条件，研究了各种TiO2纳米阵列的变化趋势与生长机理，并对其润湿性能和光催化能力进行了对比研究。
(4)选用水溶性高分子聚乙二醇(PEG)作为表面活性剂，利用简单的水(溶剂)热合成方法，以TNB和硝酸钙为基本原料，通过调节PEG与水的比例、反应温度、反应时间等实验条件，一步合成了系列具有特殊形貌的CaTiO3微纳结构材料。通过XRD、SEM、TEM、HRTEM、SAED等测试手段研究了CaTiO3纳米材料的晶型结构，发现了具有特殊的正交{112}孪晶结构的亚纳米空心结构以及常温下稳定存在的立方相CaTiO3。通过实验条件的调变，揭示了CaTiO3蝴蝶形枝晶特殊的“自上而下”的生长机理。最后通过对孪晶结构的空心结构的拉曼分析，发现了有别于体材的拉曼特性。