复合多参量层状氧化物纳米晶水热合成及光催化研究

发布时间：2020-06-17 07:07

【摘要】：目前,多种物性共存的新型复合多参量量子功能材料作为实现新的量子技术的载体,具有非常重要的研究价值。其中具有铋层状结构的氧化物由于其特殊的自然超晶格结构,可以实现多种结构序参量耦合,被认为是一种非常具有研究价值的新型复合多参量量子功能材料。在这种材料中,可以通过调节自身结构的序参量(例如电子和轨道自旋、电荷、缺陷、晶格等),实现对多种外场(例如电场、磁场、光场、应力场等)的响应,从而对未来量子存储、信息传输、能量转换等领域具有十分重要的意义。在对这种新型复合多参量量子功能材料的研究过程中,制备单晶材料是一项非常具有价值但也存在诸多挑战的工作。究其困难的原因,主要是这种材料相比于通常简单组分的氧化物,其结构组成比较复杂。它通常由有4种及以上的元素组成,并且不同层数之间的产物热力学参数极其接近,这导致其纯相生长非常困难。而生长单晶材料的价值,一方面可以使人们更直观、更准确地认识和理解其中的物理性能产生机制,尤其是多种序参量之间的耦合机制。目前这类材料的室温铁磁性来源存在争议的主要原因就是缺少对这种材料的单晶进行磁性能表征。另一方面由于单晶高纯和相对稳定的性质,制备单晶材料是该类材料走出实验室,通往实际应用的重要步骤。基于此,本论文的主要内容,就是以铋层状复合多参量量子功能材料的单晶生长为主要目的,选择水热法作为晶体生长的方法,对该材料纳米单晶的合成和形貌控制机制进行研究,并对体相单晶进行生长尝试。在生长晶体的同时也对该类材料不同形貌纳米晶的光催化性能展开了一系列研究。本论文第一章为绪论综述,前半部分主要介绍了复合多参量量子功能材料中的一些基本物理概念,铋层状复合多参量量子功能材料的相关组成和它在陶瓷、纳米、单晶薄膜方面的研究进展以及该材料的主要制备方法。后半部分重点介绍了水热法中晶体的生长机制。在绪论最后介绍了铋层状复合多参量量子功能材料的水热生长研究现状和本论文的主要研究工作。第二章主要介绍了利用表面活性剂模板辅助的水热法,生长不同厚度的Bi4Ti3O12纳米片。解释了不同厚度纳米片的合成机制,包括表面活性剂模板对结晶取向的调控作用。通过测试样品的光解水产氢性能,发现了当厚度减少至2-3个晶胞(6-10nm)时,由于多种机制的复合作用,使得样品的光催化制氢性能有非常明显地提升。第三章主要介绍了我们基于水热原位结晶的机制,发明了一个新的方法成功在铋层状复合多参量量子功能材料Bi4Ti3O12中实现氮掺杂。这种方法可以避免强氧化性Bi3+离子被还原成铋单质。同时我们验证了氮掺杂Ni4Ti3O12的原位结晶-取向结晶反应合成机制,并结合计算和实验确定了氮的掺杂位置。我们通过实验证明了氮掺杂后样品中光生电子空穴分离能力有所增强,同时晶格中出现更多的氧空位,进而提升了样品的光催化性能。该研究为在铋层状复合多参量量子功能材料中实现阴离子掺杂提供了一个新的有效方法。第四章重点研究了铋层状复合多参量量子功能材料Bi11Ti6Fe2.8Co0.2O18的水热合成和形貌调控机制,尤其是NaOH和柠檬酸在其中的作用。我们得到了三种不同形貌的Bi11Ti6Fe2.8Co0.2018微晶,其中包括自发结晶性良好,大小为5-10μm的截角八面体型的微晶。同时从自由能的角度解释了晶体大小与OH-浓度的关系。此外,证明了不同形貌的样品具有不同的室温铁磁性。该项工作对如何利用水热生长铋层状复合多参量量子功能晶体材料具有指导意义。第五章主要介绍了利用超临界态水热法生长Bi4Ti3012和Bi5FeTi3015的相关实验进展。通过一系列实验确定了超临界态水热法生长Bi4Ti3012和Bi5FeTi3015具有可行性以及所需要的基本实验条件。在第六章中,通过将合成钴掺杂铋层状复合多参量量子功能材料中的副产物CoFe204与介孔SiO2复合,制备了具有核-壳结构的CoFe2O4-SiO2复合材料。这种材料同时拥有磁性与优秀的亚甲基蓝吸附性能。通过高温处理可以烧掉吸附的染料,同时样品在多次循环使用后依然能保持较好的吸附性能。我们的工作为设计可循环吸附材料提供了一种新的思路。最后第七章是对全文的总结以及对未来工作的展望。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB383.1
【图文】：

第１章绪论铋层状类钙钛矿结构材料及其复合多参量量子功能逡逑近年来，研宄人员发现具有秘氧层和层状耗钛矿结构（Ａｕｒｉｖｉｌｌｉｕｓ相）的复量量子功能材料是一种可以实现晶胞内磁电调制复合结构的新型层状复金属氧化物材料。这一节主要介绍该类材料的组成结构和研宄进展。逡逑１．３．１材料的结构组成逡逑

图１．４．邋（ａ，ｂ）不同方法制备的Ｂｉ４Ｔｉ３０１２的晶体照片［３６，邋３９］；邋（ｃ）邋Ｂｉ４Ｔ?

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本文编号：2717257