论文部分内容阅读
随着现代工业迅速发展，工业生产中的安全以及环境污染问题日益严峻。纳米材料在各个领域的优良性能近年来得到迅速发展并在一些领域成功应用到实际的生产生活中。因此，探索具有各种应用的功能性纳米材料和纳米结构成为当前纳米科技发展的一个重要分支。纳米材料的形貌对于其性能会产生很大的影响，利用各种技术合成特异性形貌的纳米材料备受关注。液相激光诱导技术由于操作环境温和、实验过程简单，尤其是通过各种靶材、溶液、激光参数的组合可以对产物的形貌、组成和结构进行调控，近来受到了广泛关注。 本论文以液相脉冲激光诱导技术为主要制备手段，开展了多种在环境能源等领域具有潜在应用纳米材料的制备与组装研究，探索了纳米材料在污染物吸附、无酶葡萄糖电化学传感、锂离子电池和气体传感领域的应用。论文取得的主要成果如下: 1.层状介孔Mg(OH)2/GO复合材料的合成及其对水体污染物的吸附 在氧化石墨烯(GO)的水溶液中激光熔蚀镁(Mg)靶材产生的高活性Mg物质和水分子之间的强相互作用生成了Mg(OH)2晶核，并以溶液中的GO作为异相成核和生长位点原位组装制备了层状氢氧化镁纳米片/氧化石墨烯(Mg(OH)2/GO)复合材料。该复合材料具有多孔结构，比表面积和总孔体积分别高达310.8 m2 g-1和1.031 cm3 g-1，使其对水中亚甲基蓝和重金属离子具有优异的吸附去除性能。Mg(OH)2/GO复合材料对亚甲基蓝的最大吸附量达到532 mg g-1，室温下(298 K)的吸附等温线与Langmuir等温线和Freudlich等温线均良好拟合，吸附过程遵循伪二阶动力学模型并且吸附速率由颗粒内部扩散和膜扩散共同控制;对重金属离子Zn2+和Pb2+的吸附量均可达到300 mg g-1以上，去除率均超过99％。 2.SnO2量子点/rGO复合材料的原位还原制备及其无酶葡萄糖电化学传感性能 以液相激光熔蚀产生的高反应性亚稳态氧化锡(SnOx)纳米颗粒作为还原剂和前驱体，通过原位还原法成功制备了二氧化锡/石墨烯(SnO2/rGO)复合材料。通过UV-Vis光吸收、XRD、XPS、Raman光谱和TEM研究了液相激光熔蚀产生的SnOx NPs的生长和相转变以及GO的还原过程，高度分散的SnOx NPs在自身生长的同时还原氧化石墨烯(GO)并阻止还原的石墨烯(rGO)堆叠，最终2-5nm的SnO2量子点均匀分散在石墨烯纳米片上。利用rGO良好的电子传输性能以及rGO上量子尺寸SnO2 NPs丰富的电催化活性位点，制备的SnO2/rGO复合材料应用于无酶葡萄糖电化学检测，展现出高的灵敏度1.93 AM-1cm-2和低检测限13.35μM，表明该电化学传感器可以实际应用于人体血清中葡萄糖的检测。 3.三明治结构PANI/a-TiO2-GO/PANI复合材料的合成及其锂离子电池负极性能 通过液相激光熔蚀合成非晶二氧化钛-氧化石墨烯(a-TiO2-GO)复合材料，苯胺单体以a-TiO2-GO层状纳米结构的两个侧面为基底原位聚合生成聚苯胺(PANI)纳米棒阵列，最终获得稳定的三明治结构聚苯胺/非晶二氧化钛-氧化石墨烯/聚苯胺（PANI/a-TiO2-GO/PANI）复合材料。通过SEM、TEM、Raman光谱对复合材料的形貌和组分进行表征并研究其作为锂离子电池负极材料的性能。在100 mA g-1电流密度下，首次放电比容量为591 mAh g-1，经过250个充放电循环后，可逆容量仍可达到435 mAh g-1。三明治结构PANI/a-TiO2-GO/PANI复合材料经历不同电流密度下140个循环的倍率放电后，当电流密度恢复至100 mAg-1时，充放电比容量也快速恢复至原来的水平，展示出良好的倍率性能。高放电比容量、较长的循环寿命及倍率性能表明该三明治结构PANI/a-TiO2-GO/PANI复合材料作为锂离子电池负极材料的潜在优势。 4.α-Fe2O3纳米球的激光辐照法合成及其锂离子电池负极和乙醇气体传感性能 通过激光辐照羰基铁(Fe(CO)5)的丙酮溶液，一步合成了由超细α-Fe2O3颗粒组成的直径50 nm左右的多孔纳米球。利用SEM、TEM、Raman和XPS等技术对产物的形貌、结构和成分进行了表征，提出了该多孔结构的形成机理。当此多孔材料作为锂离子电池的负极时，展示出高达1600 mAh g-1的首次放电比容量。作为气体传感材料，其在最佳工作温度250℃时，对100 ppm乙醇气体的灵敏度高达19，响应时间和恢复时间分别只有12s和28.5 s。高灵敏度、快速响应和良好的循环稳定性表明该乙醇传感器有望用于环境中乙醇气体的监测与预警。 5.t-Se超长纳米线的生长及其自组装 利用液相激光熔蚀产生的锑(Sb)胶体作为诱导剂和催化剂，乙醇作为转移溶剂成功获得了三方硒(t-Se)超长纳米线。设计了一系列的对比实验对其生长机制进行了探讨:利用不同含量的Sb胶体确定了激光熔蚀产生的Sb胶体的催化作用;使用甲醇、丙酮和正己烷等含有不同官能团的溶剂代替无水乙醇进行溶剂转移实验确定了含羟基溶剂在t-Se超长纳米线生长过程中的关键作用。随着醋酸的挥发，超长纳米线通过蒸发诱导技术进行了有序自组装，所有的纳米线从弯曲形态被拉直，并依据醋酸溶液的浓度和温度的高低分别组装形成竹排形貌或超长捆束结构。