一維納米材料的模板法合成、組裝及其性能研究.pdf

1、隨著近二十年來(lái)納米技術(shù)的高速發(fā)展，很多不同組分和尺寸的高質(zhì)量一維納米材料都已經(jīng)通過(guò)不同的物理化學(xué)方法被成功地合成出來(lái)，其中，模板指引法已成為合成一維納米材料最常用方法之一。相比其它方法，模板指引法具有許多明顯優(yōu)勢(shì)，比如，合成過(guò)程簡(jiǎn)單、低成本、高產(chǎn)量、組分可調(diào)等等。另一方面，盡管納米材料的性質(zhì)比他們對(duì)應(yīng)的塊材要好，但要將具有獨(dú)特性能的單個(gè)納米顆粒組裝成為功能性的宏觀材料（比如二維薄膜材料和三維的整體塊狀材料）仍是一大挑戰(zhàn)。
　　

2、本論文將集中闡述一維納米材料的模板法合成、組裝及其性能研究。通過(guò)一系列高質(zhì)量一維納米材料的合成，充分體現(xiàn)了模板指引合成法的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)和廣泛適用性；成功將合成得到的一維納米材料組裝成為功能性的宏觀二維薄膜和三維氣凝膠材料；并研究了這些宏觀材料在過(guò)濾分離、污水處理、抗菌過(guò)濾、電化學(xué)催化、連續(xù)流催化、磁性驅(qū)動(dòng)等方面的性能。所取得的主要研究成果總結(jié)如下：
　　 1.發(fā)展了高活性超細(xì)納米線模板法合成一系列貴金屬和碲化物納米線/納米管的制備技

3、術(shù)。研究發(fā)現(xiàn)，成功合成Pt納米管的關(guān)鍵因素是使用具有高活性的超細(xì)Te納米線作為模板，并使用乙二醇做溶劑來(lái)控制反應(yīng)的速率。貴金屬前驅(qū)物的價(jià)態(tài)對(duì)于選擇性合成Pt納米管、Pt納米線或Pd納米線至關(guān)重要。此外，同樣使用超細(xì)Te納米線為模板，通過(guò)一個(gè)低溫水熱過(guò)程成功合成了直徑為12nm的均勻CdTe納米線。該模板過(guò)程同樣適用于合成其它具有高長(zhǎng)徑比和均勻尺寸的碲化物一維納米結(jié)構(gòu)，例如Ag2Te、PbTe等等。
　　 2.發(fā)展了自支持納米纖維

4、薄膜的制備技術(shù)，該薄膜材料展現(xiàn)出了優(yōu)異的過(guò)濾分離和污水處理的性能。使用超細(xì)Te納米線為模板，并用葡萄糖作為碳源，通過(guò)一個(gè)模板指引的水熱碳化過(guò)程制得了高度均勻的直徑可控的碳納米纖維。再經(jīng)過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的溶液蒸發(fā)過(guò)程，可將這些具有高長(zhǎng)徑比的碳納米纖維組裝成自支持的薄膜材料。該碳納米纖維薄膜質(zhì)地柔軟，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，完全能夠進(jìn)行過(guò)濾操作。
　　 更為重要的是，該碳納米纖維薄膜孔徑分布范圍很窄，具有優(yōu)異的尺寸選擇性過(guò)濾功能，并且它們的截留尺寸能夠

5、通過(guò)調(diào)節(jié)碳納米纖維的直徑進(jìn)行精確控制。使用該薄膜能夠?qū)崿F(xiàn)不同尺寸納米顆粒的選擇性分離。
　　 此外，通過(guò)結(jié)合碳納米纖維強(qiáng)吸附性能以及薄膜材料的過(guò)濾功能，利用一個(gè)簡(jiǎn)單的過(guò)濾過(guò)程就能夠?qū)崿F(xiàn)污水的快速純化。過(guò)濾實(shí)驗(yàn)表明：碳納米纖維薄膜能夠在流速高達(dá)1580 L/m2h的情況下有效過(guò)濾除去亞甲基藍(lán)有機(jī)染料污染物，該速度是具有類(lèi)似截留性質(zhì)的納濾膜或微濾膜的10-100倍。基于碳納米纖維的吸附性能和易成膜特性，通過(guò)一個(gè)高溫催化石墨化過(guò)程制得

6、了具有介孔特性和高度石墨化程度的多孔石墨碳納米纖維薄膜，該薄膜材料有望成為超級(jí)電容器的電極材料。
　　 3.在上述有關(guān)納米纖維薄膜的工作基礎(chǔ)上，系統(tǒng)展示了碳納米纖維可以作為一種通用的納米支架，用來(lái)構(gòu)建宏觀的多功能薄膜材料。通過(guò)不同的化學(xué)過(guò)程合成了一系列碳基復(fù)合納米纖維，包括CNFs-Fe3O4、CNFs-TiO2、CNFs-Ag和CNFs-Au等，它們都繼承了碳纖維支架原有的維度（高長(zhǎng)徑比）和機(jī)械（柔軟性）
　　 性能，

7、從而能夠通過(guò)一種簡(jiǎn)單的組裝過(guò)程得到宏觀自支持復(fù)合納米纖維薄膜材料。這些功能性的納米纖維膜在磁驅(qū)動(dòng)、抗生物膜過(guò)濾和連續(xù)流催化等領(lǐng)域展現(xiàn)了廣泛的應(yīng)用潛能。
　　 4.設(shè)計(jì)了一個(gè)靈巧的多步模板過(guò)程，用來(lái)制備自支持的Pt納米線薄膜，并展示了該P(yáng)t納米線薄膜是一種性能優(yōu)異的燃料電池催化劑材料。這種薄膜催化劑體系由較長(zhǎng)的結(jié)晶性Pt納米線組成，而這種納米線結(jié)構(gòu)能夠優(yōu)先暴露高活性的特定晶面，并且表面缺陷位點(diǎn)較少，因此具有較高的催化活性。此外，這

8、種獨(dú)特的納米線網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)有利于薄膜電極上電子的傳遞和氣體的擴(kuò)散。因此，這種Pt納米線膜的氧還原催化活性比Pt/C和Pt黑分別高了2.1和1.8倍。更為重要的是，和商用催化劑相比，這種自支持的Pt納米結(jié)構(gòu)催化劑的穩(wěn)定性有顯著的提高，這對(duì)于質(zhì)子交換膜燃料電池的應(yīng)用非常關(guān)鍵。
　　 5.進(jìn)一步深入發(fā)展了模板指引水熱碳化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了碳納米纖維水凝膠和氣凝膠的大規(guī)模合成。與傳統(tǒng)的硅基凝膠表現(xiàn)出的易碎性不同，我們制得的CNFs凝膠結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，并

9、且具有良好的可逆壓縮性能。而這種優(yōu)異的機(jī)械性源于該凝膠內(nèi)部的特殊結(jié)構(gòu)，通過(guò)掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，該凝膠由尺寸高度均勻的碳納米纖維組成，并且它們之間有大量的“焊接點(diǎn)”相互聯(lián)結(jié)，形成了一個(gè)連續(xù)的整體三維納米線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，因而表現(xiàn)出了優(yōu)異的機(jī)械性能。與傳統(tǒng)方法相比，該模板指引水熱碳化法合成納米纖維凝膠結(jié)構(gòu)具有兩大突出特點(diǎn)：一是允許放大反應(yīng)的規(guī)模；二是可以對(duì)納米纖維的直徑、凝膠結(jié)構(gòu)的密度、以及機(jī)械壓縮性能進(jìn)行精確調(diào)控。另外，通過(guò)一個(gè)多步模板過(guò)程，首次