聚合物配体可控合成铝纳米晶体

发布时间：2020-09-02 09:57

　　与宏观材料相比,纳米材料因其表面效应及尺寸效应等而具有独特且优异的物理化学特性,在光电,催化,传感,生物医疗等领域获得重要的应用,因此备受到人们关注和研究。其中,金属纳米材料在许多方面发挥了重要作用且已成为纳米科学研究最多的领域之一。在金属纳米材料的诸多性质中,其所具有的独特光学性质,即表面等离子体共振最受人们的关注和研究。与传统的表面等离子体共振材料,即贵金属金银相比,铝具有更宽的共振波段,尤其在短波长的紫外区有着金银所不具备的优异共振特性。另一方面铝作为自然界丰度最高的金属,有着得天独厚的成本优势。经过二十多年的发展,化学法在精确控制纳米晶体的尺寸,形貌和组成上取得了令人瞩目的成果,已经发展成为一个成熟的方法。然而,由于铝具有较低的氧化还原电位,常规的氧化还原手段很难获得单质铝纳米材料,因此借助氢化铝的自身氧化还原是一种常用的合成铝纳米晶体的途径。纳米化学合成领域,通过调控有机分子配体对纳米晶体晶面的作用,易于实现纳米晶体的尺寸,形貌和结构等方面的可控合成,是一种极其重要的合成策略。由于合成铝纳米晶体所用前驱体氢化铝具有强还原性,常规有机分子配体极易与之反应,限制了铝纳米晶体合成的发展。综上,合成铝纳米晶体具有重要意义并且面临巨大的挑战,据此,本论文研究了不同配体对合成铝纳米晶体的影响。通过小分子与高分子作为配体的对比性研究,我们发现高分子配体在可控合成铝纳米晶体展现出很大潜力。进一步研究表明,用双硫酯端基聚苯乙烯合成的铝纳米晶体尺寸分布均一,尺寸及形貌可控。本论文继续研究了双硫酯端基聚苯乙烯可控合成的化学机理,在实验表征和理论计算两个方面揭示了双硫酯官能团可控合成铝纳米晶体的机理。在可控合成铝纳米晶体的基础上,本论文又研究了不同尺寸和不同形貌了对其表面等离子体共振性质的影响。受双硫酯端基聚苯乙烯可控合成铝纳米晶体的启发,本论文研究了其他含硫官能团端基的高分子配体对合成铝纳米晶体的影响。本论文内容简要归纳如下:1.本文设计并合成了多种含有不同官能团的高分子配体,并研究发现与小分子配体相比,高分子配体在合成铝纳米晶体上有更大的优势,具体表现为产生更高比例的单个铝纳米晶体,产生较少聚集体,并且尺寸均一度好。在试验的诸多高分子配体中,双硫酯端基聚苯乙烯初步展示出最好的控制作用。2.在高分子配体双硫酯端基聚苯乙烯作为配体的基础上,通过调控实验条件,实现了铝纳米晶体的尺寸,尺寸均一度和形貌的控制,并对制备的铝纳米晶体的结构进行了表征。通过调节加入的催化剂的浓度,实现了尺寸的调控,能够得到不同尺寸且高均一度的铝纳米晶体。通过调控配体浓度,实现了形貌的控制,得到了具有不同铝{111}和铝{100}晶面比例的铝纳米结构,同时在实验表征和理论计算两个方面研究了配体与铝纳米晶体晶面的相互作用。另外,由于加入的配体影响了对溶液中铝原子的过饱和度,进而影响了铝纳米晶体的表面能,因此形成了具有不同表面能晶面的纳米结构。本文也探究了双硫酯端基聚苯乙烯的分子量对铝纳米晶体生长的不同作用,分子量过低无法得到均一度好的铝纳米晶体,只有高分子量的配体才能发挥控制作用,并对机理进行了探究。3.由于表面等离子体共振材料具有尺寸和形貌依赖性,因此不同尺寸和形貌的纳米晶体表现出不同的共振频率,宏观上体现在铝纳米晶体溶液和粉末呈现出不同颜色。我们用紫外可见光谱和单粒子暗场散射光谱的实验手段并结合时域有限差分法的理论计算研究了铝纳米晶体的溶液和单个纳米晶体的表面等离子体共振性质。这些表征手段的结果相互契合,都证明了铝纳米晶体表面等离子体共振频率的尺寸效应:随着铝纳米晶体的尺寸不断增大,散射峰不断红移,且具有不同的表面等离子体振动模式。同时,也证明了形貌的不同对铝纳米晶体也有一定的影响:立方体截断程度的增加使其散射峰不断蓝移。4.高分子配体用于合成金属纳米晶体时,其分子量和浓度对金属纳米晶体的尺寸,形貌和结构有很大影响。本论文设计并合成了不同含硫官能团端基的聚苯乙烯,通过调控一系列实验条件研究了不同含硫官能团末端基作为配体合成铝纳米晶体时的各个实验参数的影响,拓展了双硫酯官能团体系对合成铝纳米晶体的研究。
【学位单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TB383.1

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