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纳米材料由于具有纳米尺度的特殊结构,从而具有许多传统材料所不具备的独虫特的物理和化学性质。如今,纳米技术已经迅速渗透到材料应用的各个领域,或为当今材料学研究领域的热点之一。当前,能源危机和环境污染是全球面临亟待解决的两大难题,直接影响到人类的可持续发展,而纳米科技的发展为能源和环境问题的解决带来很大的希望。在纳米科技、绿色能源存储和环境保护相结合的背景下,本论文围绕一维无机纳米结构材料,致力于开发绿色环保、简易经济的制备方法,并研究它们在电化学储能和水处理等领域的应用,通过对体系中功能化纳米单元的尺寸、形貌、组成和结构进行主动调节和控制,揭示了体系的微纳结构与性质之间的关系。本论文的主要研究内容包括以下四个部分:
(一)金属氮化物一维纳米结构的可控构筑与电化学性能研究
发展了一种静电纺丝技术辅助氮化处理的通用方法,用于构筑金属氮化物一维纳米结构。在该方法中,首先通过静电纺丝技术得到金属和高分子的混合前驱体一维纳米结构,然后通过直接高温氮化处理得到金属氮化物一维纳米结构。采用该通用方法,制备得到了TiN纳米纤维、VN纳米纤维、NbN纳米纤维、Zr7O8N4纳米纤维以及组分比例可控的TiVN固溶体纳米纤维。将第一步的常规静电纺丝技术改进成多流体复合静电纺丝技术,还可以构筑通道数目可控的一维TiN微纳管,实现了通道数目从1到3的可控制备,并证实了TiN微纳管通道的数目跟比表面积呈近似线性正比关系。金属氮化物所具有的高导电性和和化学稳定性赋予了所制备的TiN纳米纤维以及多通道微纳管和VN纳米纤维优异的电化学电容器性能。这种金属氮化物一维纳米结构构筑的方法学将为新型材料设计提供参考价值。
(二)碱土金属锗酸盐纳米线的水热制备与电化学储锂性能研究
基于简易经济的水热一步法,以氧化锗和廉价的碱土金属盐为原料,成功制备出单晶碱土金属锗酸盐纳米线。该方法绿色环保、条件温和,无需使用有机溶剂和表面活性剂。所制备得到的纳米线长径比超过10000,并且产量很高。通过考察反应时间、前驱体盐的种类、投料比等合成条件,探究碱土金属锗酸盐纳米线的生长机理。该方法可以通用制备锗酸钙、锗酸锶和锗酸钡单晶纳米线。这三种碱土金属锗酸盐纳米线显示了在紫外光下降解有机染料高的光催化活性。同时通过电化学性能测试,证明它们作为一类新型的锂离子电池负极材料,表现出了出色的循环稳定性,倍率性能和较高的储锂容量。初步确认其主要机理是碱土金属锗酸盐纳米线和Li首先经过不可逆的转化反应得到锗的小颗粒或者团簇,同时生成的Li2O和碱土金属氧化物作为协同缓冲基底很好地限制了锗团簇的体积膨胀和聚集,整个体系一直保持钢筋式的一维纳米结构,从而保证了碱土金属锗酸盐纳米线的高比容量和循环稳定性能。这部分工作为设计开发高容量、高倍率、稳定的电极材料提供了研究思路。
(三)氧化钨-乙二胺有机一无机杂化纳米线的制备及其在水处理和多相催化中的应用
利用溶剂热一步法,制备得到了氧化钨-乙二胺有机-无机杂化纳米线,该方法产量极高,操作简便,原料廉价,易规模化制备。XRD、XPS和FTIR等各种表征手段确认了乙二胺是以氢键的形式嵌插到氧化钨层层之间骨架中。乙二胺的引入杂化使得该材料含有丰富的氨基官能团,氨基官能团对许多金属离子具有较强的络合作用,从而使该材料显示出对pb2+、Cr3+、Cu2+、Cd2+等重金属离子以及放射性UO22+离子高的吸附容量和效率;与此同时该材料作为一种碱性多相催化剂对Knoevcnagel缩合反应表现出了极高的催化循环稳定性,室温下可循环回收使用20次,产率和转化率均在95%以上。这一类有机-无机杂化纳米材料有望在实际水处理和催化领域中展现出更为广泛的应用价值。
(四)一维有序介孔孔道氧化铝吸附剂的制备及其在水处理中的应用
目前商品化活性氧化铝对氟离子和砷的吸附容量较低,因此我们设计制备了一维有序介孔孔道氧化铝类吸附剂材料。我们利用溶胶一凝胶法合成了具有一维有序介孔孔道的氧化铝以及钙掺杂的介孔氧化铝吸附剂材料。我们详细研究了其对氟离子和砷的吸附行为,考察了影响吸附行为的各种因素包括共存离子的干扰、pH值等,探讨了该类吸附剂对氟离子的吸附机理。较高的比表面积和规则的孔道结构为材料提供了更多的吸附活性位点,从而对砷和氟离子显示出了高的吸附容量。