激光诱导液相合成金属纳米复合材料及光学特性研究

发布时间：2018-03-14 16:16

本文选题：脉冲激光液相烧蚀法　切入点：金属纳米复合材料　出处：《山东大学》2017年硕士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：金属纳米复合材料不仅具备固有的表面效应、小尺寸效应、宏观量子隧道效应、介电限域效应和量子尺寸效应,而且由于多元素之间的独特协同作用以及不同的构型都使金属纳米复合材料呈现出了高效的光、电、催化及超灵敏传感等性能。相比与表面光滑的实心纳米材料来说,空心多孔构型的金属纳米复合材料具有更大的比表面积,而核壳构型纳米材料存在明显的核壳界限,两者可以表现出区别于实心纳米材料的物理化学特性。于是,寻找一种绿色、环保、高效、简单和低成本的合成技术使其可以有效可控合成出多种构型的金属纳米复合材料,尤其是空心多孔构型,不仅仅是对基础科学研究有着极其重要的研究价值,更对材料的发展及其应用起着举足轻重的作用。金属纳米复合材料的合成方法众多,我们采用了脉冲激光液相诱导合成技术来调控制备空心多孔金属纳米复合材料。与其他方法相比,脉冲激光液相诱导合成技术利用高功率激光束与材料物质具有超快的相互作用特性,烧蚀产生独特的热力学非平衡态使得金属元素瞬间气化至高能态,随后急剧冷却结晶形成金属纳米复合材料。脉冲激光液相烧蚀合成技术不需要外界提供复杂、苛刻实验条件,并且实验过程简单、高效,无需复杂的化学辅助试剂,绿色环保,为目前急需的高效可控合成纳米空心多孔材料奠定了基础。本论文主要内容是使用脉冲激光液相烧蚀合成技术可控调节制备超精细的空心多孔TiO2纳米材料以及两种不同构型的ZnS/Zn纳米复合材料,并探索其可控合成机理。在此基础上,研究不同构型的ZnS/Zn纳米复合材料在可见光条件下光催化降解Cr(VI)离子溶液的优异特性。在1064nm波长条件下,我们使用脉冲激光分别在去离子水溶液和氨水溶液中烧蚀Ti/Al合金靶材制备金属纳米复合材料,研究了在弱碱性溶液中制备合成的空心多孔Ti02纳米材料的生长过程。在去离子水溶液中,我们合成了形状规则且呈圆球状的Ti02/Al(OH)3纳米复合材料,而在氨水溶液中,通过改变氨水浓度制备了一系列不同形貌和尺寸的空心多孔状Ti02纳米材料,随着V氨水/V去离子水从1/10增加到1/3,TiO2纳米空心结构直径从300nm减小到9.2nm,多孔核壳壁厚从60nm减小到2.8nm。研究表明利用碱性溶液可以使烧蚀Ti/Al靶材最初形成的TiO2/Al(OH)3复合材料中Al(OH)3两性氢氧化物在生长过程中快速分解,最终合成制备了超精细的空心多孔状TiO2纳米材料。提高溶液中PH值,无论是内部空心还是多孔壳层都会发生明显变化。针对含有对两性氢氧化物的复合材料,初步探索的碱性溶液在激光烧蚀过程中快速刻蚀原理有望为空心多孔状金属纳米复合材料的可控合成提供新方法。在1064nm波长条件下,我们使用脉冲激光在硫代乙酰胺(TAA)、HCl和CTAB混合溶液中烧蚀Zn固体靶材,通过加入少量(5μL)和足量(10μL)HCl,改变溶液的PH值,分别成功的合成出了核壳结构和空心多孔构型的ZnS/Zn纳米材料。酸性溶液在可控合成中起到至关重要因素。较弱的酸性溶液在激光烧蚀Zn过程中可以加快TAA水解,有效提供硫源,得到纯净的核壳结构ZnS/Zn纳米材料。提高溶液酸性,还可以对初步合成的ZnS/Zn核壳结构进行化学刻蚀,形成空心多孔构型的ZnS/Zn纳米复合材料。在可见光催化降解重铬酸钾溶液中Cr(Ⅵ)离子方面,这种空心多孔构型的ZnS/Zn纳米复合材料更具有优势。在相同条件下,空心多孔构型的ZnS/Zn纳米复合材料可以在15min内降解溶液中97%Cr(Ⅵ)离子,而核壳纳米材料则需要50min。这种显著提高的可见光催化降解Cr(Ⅵ)效率主要是由于纳米材料的多孔结构既增加了材料与Cr(VI)的接触面积又降低了电子从价带转移到导带所需的禁带宽度。在激光烧蚀过程中,酸性溶液能使得金属复合材料在结晶过程中被有效刻蚀,形成空心多孔构型,有利于促进高效光催化降解的深入研究。
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【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TB383.1;O643.36

【参考文献】