银螺旋纳米带的形成、微结构和性质研究

发布时间：2017-10-21 23:36

  本文关键词：银螺旋纳米带的形成、微结构和性质研究

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【摘要】：贵金属纳米材料以其独特的光学、电学、生物学、催化等性能受到广泛的关注。螺旋结构广泛存在于自然界,在物理、化学、生物等领域特别引人关注,在光子学、电学等领域产生独特的性能,在微物质运输、微流体操纵、遥感、加热以及机械钻孔等方面有潜在应用前景。目前文献报导获取纳米螺旋材料的方法主要包括自上而下技术和模板法等。我们发现了一种通过简单置换化学反应得到银纳米螺旋带的实验现象。具体来说,在导电性较差的基底沉积一定长度铜纳米棒(如玻璃、硅片、碳膜等),随后将含有硝酸铜和硝酸银混合溶液滴加到基底上反应一段时间,滤纸吸干水溶液,最后基底可得到大量银纳米螺旋结构。采用光学显微镜(OM)、X射线衍射(XRD)、原子力显微镜(AFM)、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)对所得银螺旋纳米结构分析表征。结果表明:银螺旋纳米结构为纳米带,外形满足对数螺旋几何关系,宽约200 nm,厚约40 nm,长约数十微米。在透射电镜中倾转晶带轴,对所得银螺旋结构不同区域进行选区电子衍射(SAED)分析。结果证明银螺旋线为单晶,生长过程中生长方向保持不变。按照具有缺陷的面心立方模型描述其结构,其生长方向是。光镜下原位观察银螺旋生长,整个生长过程在10 s内完成。通过测量计算,我们得到螺旋线生长长度约几十微米,平均生长速度等达到约6.4μm/s。结合已经获得的银螺旋微观结构数据和法拉第定律,我们计算出整个置换反应过程中由于电子传输产生的电流密度达到1-10 A/cm2量级。研究表明二价铜离子对银螺旋纳米材料的生长速度有很大的影响。混合溶液中铜离子浓度升高或者降低时,产物分别是纳米带或纳米片。Zn2+和Co2+离子能产生类似于Cu2+的效果,但是效果较弱,得到不足一圈的银螺旋结构。其他离子,如Al3+、Cr3+、Mn2+等离子的引入更容易得到片状银纳米结构,而K+、Na+、Mg2+、Ca2+、Sr2+等对产物没有明显影响。置换反应发生在磁场中,强的外部磁场会阻止生成螺旋形状的产物。而在离心力作用下会使螺旋线缠绕的更紧密,甚至变为圆环。除此之外,还观察到银纳米带缠绕成三角形或六边形的现象。目前,纳米尺度下特殊形貌金属结构都是通过光刻技术进行加工,或者激光直写与金属沉积相结合。然而,这两种方法技术复杂且成本高。本文介绍的制备螺旋结构金属材料方法简单且成本低廉,并为以后设计制备特殊纳米结构提供了可能。此外,我们在探索铜前驱体材料制备时发现了一种抗坏血酸水热法,可以用于草酸盐、碳酸盐、金属铜复合材料等粉体的制备。以此方法得到了一些稀土草酸盐。抗坏血酸与硝酸钇水热法合成草酸碳酸钇粉末,并对产物进行X射线衍射(XRD)、红外(IR)、热重(TA)和扫描电镜(SEM)分析。产物是直径约100μm的微球。产物加热后会分解成碳酸钇,最后在500-800?C分解生成氧化钇。通过XRD和SEM证明煅烧后产物为纯相的氧化钇。我们同样的方法得到了碳酸镧微球。
【关键词】：螺旋纳米结构 银纳米材料 置换反应 稀土草酸盐
【学位授予单位】：北京工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O614.122;TB383.1
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第1章 引言11-27
• 1.1 贵金属纳米材料11-14
• 1.1.1 贵金属纳米材料的基本合成方法11
• 1.1.2 贵金属纳米材料在光学领域的运用11-12
• 1.1.3 贵金属纳米材料催化方面的运用12-13
• 1.1.4 贵金属纳米材料在电子工业中的应用13
• 1.1.5 贵金属纳米材料在生物方面的运用13-14
• 1.2 螺旋结构纳米材料的合成及性能14-20
• 1.2.1 螺旋纳米材料的合成14-16
• 1.2.2 螺旋材料物理化学性能16-17
• 1.2.3 贵金属纳米螺旋材料的合成17-18
• 1.2.4 贵金属纳米螺旋材料的物理化学性能18
• 1.2.5 贵金属纳米螺旋材料的实际运用18-20
• 1.3 螺旋纳米材料的生长机理20-23
• 1.4 透射电镜显微分析方法23-25
• 1.4.1 TEM成像技术和电子衍射技术23-24
• 1.4.2 HRTEM高分辨透射电子显微技术24-25
• 1.5 论文选题依据,主要内容25-27
• 第2章 实验研究方法27-31
• 2.1 实验试剂及制备方法27-28
• 2.2 实验表征方法28-31
• 第3章 银螺旋纳米带的制备、表征和性能研究31-53
• 3.1 引言31-33
• 3.2 实验过程及合成方法33-34
• 3.2.1 前躯体铜纳米棒的合成33-34
• 3.2.2 硝酸铜与硝酸银混合溶液的制备34
• 3.2.3 实验过程34
• 3.3 银螺旋纳米带的制备及基本表征34-39
• 3.3.1 合成不同银纳米晶产物及光镜照片34-36
• 3.3.2 不同形状银产物的XRD图谱36-37
• 3.3.3 螺旋形状银产物的扫描电镜和透射电镜图37-38
• 3.3.4 银纳米螺旋高分辨表征38-39
• 3.3.5 银螺旋线的稳定性39
• 3.4 银对数螺旋纳米材料几何结构及晶体结构分析39-44
• 3.4.1 银纳米带原子力显微镜分析结果39-40
• 3.4.2 银螺旋线几何性质的研究40-41
• 3.4.3 光镜下观察银螺旋线生长过程41-42
• 3.4.5 银纳米螺旋线晶体结构分析42-43
• 3.4.6 银纳米带S位置选取电子衍射图分析43-44
• 3.5 其他银纳米晶产物的合成及银螺旋线机理分析44-49
• 3.5.1 银纳米片,纳米带扫描电镜和透射电镜分析44-45
• 3.5.2 银包覆铜纳米棒的合成及表征45-46
• 3.5.3 银纳米枝晶的合成及表征46-47
• 3.5.4 硝酸铜浓度的变化和反应物铜纳米棒长度对产物银纳米材料形貌的影响47-48
• 3.5.5 银纳米螺旋线生长机理研究48-49
• 3.6 外场对银螺旋线的生长及展望49-52
• 3.6.1 水溶液中银螺旋线立体结构研究49
• 3.6.2 离心力、磁场作用下银产物的自组装49-52
• 3.7 小结52-53
• 第4章 草酸碳酸钇的水热合成53-65
• 4.1 引言53-54
• 4.2 草酸盐或碳酸盐的合成54-55
• 4.2.1 稀土草酸碳酸盐的合成方法54
• 4.2.2 其他化合物的合成方法54-55
• 4.3 草酸碳酸钇产物表征55-61
• 4.4 其他化合物的合成及表征61-63
• 4.5 小结63-65
• 结论65-67
• 参考文献67-73
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文73-75
• 致谢75

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