二氧化錫納米結構的合成、表征與性能研究.pdf

1、納米半導體材料以其新異的光學特性、電學特性、光電轉換特性、光催化性能等引起了廣泛的研究興趣。合理設計納米結構的合成，從材料的尺寸、形貌、維度、組成、晶體結構等方面進行調控，研究納米結構與性能的關系，是納米科技發(fā)展的重要組成部分，對實現按照人們的意愿設計合成功能材料具有重要的意義。本論文以SnO2為研究對象，采用多種化學方法，以簡單的無機鹽為前驅體，在液相反應體系中通過引入聚合物做輔助劑、在SnO2晶體中摻雜Zn、改變溶劑組成以及以天然棉

2、花做模板等方法，得到了一些新的形貌和納米結構，通過X射線衍射(XRD)、場發(fā)射掃描電鏡(FESEM)、透射電鏡(TEM)及高分辨透射電鏡(HRTEM)、紅外光譜(FT-IR)、拉曼光譜、紫外-可見吸收光譜(UV-Vis)、光致發(fā)光光譜(PL)、X射線光電子能譜(XPS)等手段對產物進行了表征，討論了納米結構的形成機理，并對其性能進行了研究。主要內容如下：
　　 ⑴分別以聚丙烯酸(PAA)、聚乙二醇(PEG 200)、聚乙烯醇(P

3、VA 1799)三種聚合物為輔助劑，制備了幾種不同的SnO2納米結構：首先，在溶液中利用聚丙烯酸(PAA)的輔助作用，通過溶劑熱過程得到了平均長度為1.0μm、底部直徑為100-500nm的金紅石型SnO2納米錐形結構以及由納米錐自組裝成的空心球結構，考察了溶液堿性、溶劑組成、聚合物的加入量等參數對形貌的影響，晶體的生長經歷了PAA輔助下納米顆粒的定向聚集過程，通過取向附生機制，得到了單晶納米錐結構，由于納米錐的頂部尺寸小以及其粗糙的凹

4、凸不平的表面，使其更進一步組裝成空心球結構。納米錐的拉曼光譜結果顯示，出現了由納米材料微結構而產生的新的振動吸收；其次，采用高溫加熱的方法，以聚合物聚乙二醇(PEG 200)為溶劑和表面修飾劑，得到了長徑比大、結晶較好的單晶SnO2納米棒，并且發(fā)現，晶體的生長方向為較少報道的[1 2]方向。反應溫度、反應時間、溶液的堿度、反應物濃度等生長參數對產物的尺寸有較大的影響，納米棒的形成機制為取向附生機制，其熒光光譜顯示了較強的激子發(fā)光、缺陷能

5、級發(fā)光；另外，以聚乙烯醇(PVA 1799)為基質，通過加熱回流及氧化過程，首先得到了SnO2納米顆粒分散其中的復合物，高溫培燒除去聚合物后，得到了由納米顆粒組成的空心球結構等納米結構。
　　 ⑵通過在SnO2晶體中摻雜Zn，有效的控制了晶體的形貌和尺寸。在乙醇-水溶液中，引入少量無機金屬離子Zn2+作摻雜，采用溶劑熱法，得到了具有枝狀結構的Zn摻雜的、具有金紅石結構的SnO2納米棒團簇，而且隨著產物中Zn含量的增加，納米棒的直

6、徑減小，長度增加?？疾炝巳軇┙M成、溶液的堿度、摩爾比[Zn2+]/[Sn4+]、聚合物的引入等對產物形貌和晶相的影響。詳細考察了晶體生長過程中的晶相轉變和形貌的形成過程，提出了可能的晶體生長機理。產物的拉曼光譜顯示，除了傳統(tǒng)的SnO2晶體的振動峰以及由SnO2納米結構所引起的振動峰，另外還出現了純的SnO2晶體沒有出現的新振動峰。研究了該產物對乙醇、丙酮和苯蒸汽的氣體敏感性。
　　 ⑶研究了在兩種或多種溶劑混合組成的均相體系中進

7、行溶劑熱過程時，SnO2晶體的可控生長：首先，以乙二胺和蒸餾水為混合溶劑，通過調節(jié)其體積比、溶液的堿度和反應溫度等，制備了多種不同形貌、尺寸以及聚集狀態(tài)的SnO2納米顆粒、納米棒、微米棒等結構，比如像花一樣聚集的納米棒團簇、納米棒組成的弧形或環(huán)狀結構、小尺寸的納米棒及納米顆粒、鉛筆形狀的微米級SnO2棒等。所得到的納米棒生長方向為[1 2]，納米棒中存在有高濃度的氧空位和明顯的位錯缺陷，討論了納米棒及其多級結構的形成機理。并對不同比例的

8、溶劑組成時所得到的不同尺寸和形貌的產物進行了光學性能測試和分析，其FT-IR、UV-Vis以及PL均出現了強度或位移的變化；在以上結果的基礎上，設計了多種溶劑組成，如乙二胺:乙醇:蒸餾水(1:1:1)、二乙烯三胺:蒸餾水(1:1)等進行了實驗和比較，通過調節(jié)溶劑的組成可進一步調控納米SnO2晶體的形貌和尺寸，溶劑固有的性質以及溶劑分子所含有的功能基團在晶體生長過程中起了關鍵作用。
　　 ⑷以天然棉纖維為模板，通過化學方法，得到了