【摘要】：由于一維(1D)氧化物納米功能材料具有獨(dú)特的物理性質(zhì)和潛在的應(yīng)用價(jià)值,而獲得了研究者的青睞,并發(fā)展成為了一個(gè)富有新鮮感以及充滿新機(jī)會(huì)的研究領(lǐng)域。在諸多關(guān)于一維功能材料的制備方法中,靜電紡絲法作為一種極其靈活的材料制備方法,它多樣化多角度地調(diào)控一維材料的形態(tài)、結(jié)構(gòu)、組成甚至宏觀外貌。隨著人類社會(huì)地發(fā)展以及科研水平地提高,人們不再拘泥于對(duì)于現(xiàn)有電紡材料地研究,或是對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的修飾,或是改進(jìn)其一維形貌,并希望獲得改善的性質(zhì)或是發(fā)現(xiàn)某些新的應(yīng)用。其中,由于稀土修飾的1D氧化物納米結(jié)構(gòu)擁有源自4f電子殼層的獨(dú)特的性質(zhì),一直受到學(xué)術(shù)界地廣泛關(guān)注并有著十分廣泛地應(yīng)用。人們對(duì)稀土修飾的1D納米結(jié)構(gòu)地關(guān)注不僅僅局限于發(fā)光領(lǐng)域,而且還擴(kuò)展到其他重要的方面,如傳感領(lǐng)域。但稀土元素眾多,各項(xiàng)性能“似是而非”,因此系統(tǒng)地研究1D納米尺度下稀土元素對(duì)1D功能材料的形貌、結(jié)構(gòu)以及光學(xué)和傳感性能的影響,對(duì)于基礎(chǔ)性質(zhì)認(rèn)識(shí)以及新材料地開(kāi)拓和應(yīng)用都具有重要的意義。 本論文以靜電紡絲和稀土修飾的1D氧化物功能材料作為兩條主線貫穿全文。一方面,利用靜電紡絲法制備了不同材質(zhì)的納米線(NWs)和納米管(NTs),并側(cè)重于對(duì)納米管的研究,對(duì)影響NTs形成的因素進(jìn)行了系統(tǒng)地控制,對(duì)形成機(jī)制進(jìn)行了解釋。另一方面,研究了不同濃度、不同種類的稀土修飾對(duì)一維電紡氧化物材料的發(fā)光和氣敏傳感性能的影響,并得到一些有趣的結(jié)果。主要研究成果如下： (1)首次利用靜電紡絲法合成了尺寸均勻的LaPO4:Eu NWs和NTs,并通過(guò)改變電紡前軀體溶液中無(wú)機(jī)物同聚合物之間(Io/PVP)的比值對(duì)它們的晶相結(jié)構(gòu)、形貌以及發(fā)光性質(zhì)進(jìn)行了調(diào)控。當(dāng)Io/PVP的比值逐漸降低時(shí),熱處理后的樣品由于PVP的影響會(huì)發(fā)生從LaPO4到La3PO7的相變。當(dāng)樣品的晶相逐漸從LaPO4變化到La3PO7時(shí),Eu3+的5D0-7FJ發(fā)光強(qiáng)度逐漸降低,5D0-7F2與5D0-7F1發(fā)光強(qiáng)度的比值(I(5D0-7F2)/I(5D0-7F1))顯著增加,5D0-7F2躍遷的熒光壽命逐漸降低。在La3PO7基質(zhì)中Eu3+發(fā)射強(qiáng)度的降低與表面吸附的水分子以及和Eu3+周圍局域環(huán)境相關(guān)的/(5D0-7F2)//(5D0-7F1)比值的增加相關(guān)。從樣品LaPO4到La3PO7不斷縮短的熒光壽命,主要受輻射躍遷速率以及無(wú)輻射躍遷速率的影響。 (2)制備了具有次孔狀結(jié)構(gòu)的In2O3 NTs和NWs電紡材料。所制備NTs的直徑為80nm,壁厚為15 nm; NWs的直徑為120 nm。我們系統(tǒng)地研究了In2O3NTs和NWs對(duì)H2S氣體的氣敏傳感特性。測(cè)試結(jié)果表明,In2O3 NTs和NWs氣敏元件在室溫下對(duì)稀薄(測(cè)試范圍為1-100 ppm)的H2S氣體具有良好的響應(yīng),并表現(xiàn)出優(yōu)秀的選擇性、抗干擾性以及穩(wěn)定性。建立了熱力學(xué)動(dòng)力方程模型計(jì)算不同溫度下In2O3 NTs和NWs氣敏元件的響應(yīng)和恢復(fù)勢(shì)壘高度。分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,在較低的溫度范圍(25-160℃)In2O3的硫化機(jī)制占有主導(dǎo)地位,在相對(duì)較高的溫度范圍(160-300℃)表面吸附是主要的傳感機(jī)制。 (3)制備了具有次孔狀結(jié)構(gòu)的In2O3:RE (RE= Gd. Tb,Dy,Ho.Er, Tm, Yb)NTs系列樣品,并研究了不同RE元素的摻雜對(duì)In2O3 NTs的結(jié)構(gòu)和H2S氣敏特性的影響。發(fā)現(xiàn)隨著摻雜稀土元素原子序數(shù)的逐漸增加,In2O3 NTs的帶隙能量和室溫下的電阻逐漸升高,晶格常數(shù)有減小的趨勢(shì)。In2O3:RE NTs氣敏元件的靈敏度同未摻雜的In2O3 NTs氣敏元件相比有規(guī)律而顯著的提高,響應(yīng)時(shí)間也明顯縮短。其中In2O3:Yb NTs是性能最好的一個(gè),它在室溫下對(duì)20 ppm H2S氣體的靈敏度為1241,響應(yīng)時(shí)間為49 s,同In2O3 NTs氣敏元件相比,靈敏度提高了7倍,響應(yīng)時(shí)間縮短了1/4。 (4)利用靜電紡絲法首次制備了具有次孔狀結(jié)構(gòu)的In2O3-CeO2 NTs系列樣品。通過(guò)調(diào)整二元復(fù)合物中In2O3和CeO2的摩爾比,NTs的直徑和壁厚可以分別在90nm到180和15 nm到9 nm之間調(diào)控。隨著二元復(fù)合物中CeO2含量地增加,樣品的帶隙以及表面氧空位含量均變大。對(duì)In2O3-CeO2 NTs系列氣敏元件進(jìn)行了不同溫度下對(duì)H2S和丙酮?dú)怏w的氣敏特性研究。結(jié)果表明,當(dāng)二元復(fù)合物中CeO2含量適當(dāng)?shù)臅r(shí)候,In2O3-CeO2 NTs氣敏元件可以實(shí)現(xiàn)在低溫下(25-110℃)對(duì)H2S進(jìn)行探測(cè),氣敏傳感機(jī)制屬于硫化機(jī)制；在高溫下(300℃)對(duì)丙酮?dú)怏w進(jìn)行探測(cè),氣敏傳感機(jī)制屬于吸附機(jī)制。In2O3和CeO2的摩爾比為3：1的In75Ce25 NTs氣敏元件是性能最好的一個(gè),它在80℃的工作溫度下對(duì)H2S氣體的靈敏度值為498,在300℃的工作溫度下對(duì)H2S氣體的靈敏度值為30。與In2O3 NTs氣敏元件相比,In75Ce25 NTs氣敏元件具有更短的響應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間以及更低的反應(yīng)勢(shì)壘高度。
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2011
【分類號(hào)】：TB383.1

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本文編號(hào)：2584415