基本信息
- 項目名稱：
- 二氧化釩納米線的Langmuir-Blodgett可控組裝與性能
- 小類：
- 能源化工
- 簡介：
- 如何對一維納米材料的表面進行功能化處理，解決團聚問題，提高其分散性，并對其進行擇優(yōu)取向排列和有序組裝，是納米材料科學(xué)領(lǐng)域十分重要的研究課題，對納米材料的器件化和實用化具有重要意義。該作品選擇可用于電化學(xué)、自旋電子等領(lǐng)域的二氧化釩納米線為研究對象，采用硬脂酸及十六烷基三甲基溴化銨混合表面活性劑對納米線進行單分散修飾，實現(xiàn)了納米線（00L）晶面擇優(yōu)取向排布和局部有序排列，發(fā)現(xiàn)LB組裝過程中表面壓-面積曲線上滯后行為的存在對應(yīng)于納米線的筏狀排列，納米線（00L）晶面擇優(yōu)取向歸因于表面活性劑對（001）晶面的擇優(yōu)配位效應(yīng)。二氧化釩納米線LB膜顯示順磁性,相對于二氧化釩納米線粉末其電化學(xué)性能得到提高，比容量、電流密度和電導(dǎo)率均提高約兩個數(shù)量級。這一研究能夠使二氧化釩納米線得到更好的單分散、擇優(yōu)取向和性能優(yōu)化，為相關(guān)納米器件的組裝、集成和優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。
- 詳細介紹：
- 通過硬脂酸（SA）和十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）的修飾，實現(xiàn)了二氧化釩納米線在有機溶劑中的均勻分散；采用LB技術(shù)，完成了二氧化釩納米線的組裝。在組裝過程中，隨著表面壓的不斷增大，分散性良好的納米線逐漸形成局部區(qū)域有序的納米單分子層，在松弛之后，納米線的筏狀結(jié)構(gòu)依然保留。從π-A曲線中可以看出，二氧化釩納米線表現(xiàn)出了滯后行為，通過掃描電子顯微鏡證明了上述實驗結(jié)果。XRD表明二氧化釩納米線的LB膜是(00L)晶面擇優(yōu)取向的，這歸因于表面活性劑對二氧化釩納米線（001）晶面的擇優(yōu)配位。二氧化釩納米線通過LB組裝展現(xiàn)出的奇特取向以及這種方法對其他的納米線，納米管的普遍應(yīng)用將會促使大范圍的功能化納米系統(tǒng)的組裝、關(guān)聯(lián)、集成與應(yīng)用。二氧化釩納米線LB膜是順磁性材料，為開發(fā)新型納米電子自旋材料和器件提供理論依據(jù)。循環(huán)伏安研究表明二氧化釩納米線薄膜在LB組裝前后的第10次循環(huán)效率Q10分別為99%和98%，其循環(huán)性能得到很大的提高，在LB組裝之前的電流密度擴大四百倍之后才和LB組裝之后的電流密度達到同一個數(shù)量級，這表明二氧化釩納米線LB膜的電流密度和比容量比組裝之前的二氧化釩納米線薄膜提高了將近兩個數(shù)量級，這歸因于二氧化釩納米線單層膜的形成；電輸運（I-V）研究表明二氧化釩納米線LB膜相對于納米線粉末其電導(dǎo)率提高了將近兩個數(shù)量級；通過鋰離子嵌入/脫出示意圖說明了這些性能的提高歸因于二氧化釩納米線LB膜的有序性和晶面擇優(yōu)取向。
作品圖片
作品專業(yè)信息
撰寫目的和基本思路
- 如何對一維納米材料進行表面功能化處理，解決團聚問題，提高其分散性，并進行擇優(yōu)取向排列和有序組裝，是納米材料科學(xué)領(lǐng)域十分重要的研究課題，對納米材料的器件化和實用化具有重要意義。 本作品對二氧化釩納米線進行表面修飾，并進行LB組裝。通過XRD、SEM、低溫磁性能、循環(huán)伏安和I-V曲線等分析其結(jié)構(gòu)與性能。同時對二氧化釩納米線表面修飾機理和擇優(yōu)取向機理進行了探討。
科學(xué)性、先進性及獨特之處
- 1、該作品采用CTAB-SA混合表面活性劑對二氧化釩納米線進行表面修飾，解決其團聚問題，并揭示了基于氫鍵配位的表面修飾機理； 2、采用LB技術(shù)對二氧化釩納米線進行有序組裝，率先實現(xiàn)了納米線（00L）晶面擇優(yōu)取向，并探討了表面活性劑對（001）晶面的擇優(yōu)配位效應(yīng)； 3、二氧化釩納米線LB膜顯示順磁性，相對于二氧化釩納米線粉末其電化學(xué)性能得到提高，比容量、電流密度和電導(dǎo)率均提高約兩個數(shù)量級。
應(yīng)用價值和現(xiàn)實意義
- 作品率先實現(xiàn)了二氧化釩納米線的LB有序組裝。得到(00L)晶面擇優(yōu)取向和局部有序的LB膜, 這對其他一維納米材料的普遍應(yīng)用及納米系統(tǒng)組裝、集成與應(yīng)用起到促進作用；二氧化釩納米線LB膜為順磁性，相對于粉末其比容量、電流密度和電導(dǎo)率均提高近兩個數(shù)量級，為開發(fā)新型納米電子自旋材料和高能電池奠定基礎(chǔ)。該研究使二氧化釩納米線更好地分散、擇優(yōu)取向和性能優(yōu)化，為相關(guān)納米器件的組裝、集成和優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。
學(xué)術(shù)論文摘要
- 用硬脂酸（SA）和十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）對二氧化釩納米線進行表面修飾，并采用LB技術(shù)組裝，獲得了(00L)晶面擇優(yōu)取向和局部區(qū)域有序的LB膜。通過π-A曲線、SEM和XRD, 研究分析了LB組裝過程，發(fā)現(xiàn)π-A曲線上滯后行為的存在對應(yīng)于納米線的筏狀排列，納米線（00L）晶面擇優(yōu)取向歸因于表面活性劑對（001）晶面的擇優(yōu)配位效應(yīng)。低溫磁性能研究表明二氧化釩納米線LB膜顯示順磁性, 循環(huán)伏安和電輸運研究表明二氧化釩納米線LB膜相對于二氧化釩納米線粉末其電化學(xué)性能得到提高，比容量、電流密度和電導(dǎo)率均提高約兩個數(shù)量級。該研究為二氧化釩納米線高能電池、自旋電子器件的組裝、集成和優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。
獲獎情況
- 1.參加美國波士頓2008 MRS （材料研究學(xué)會）秋季會議(報告題目: Assembly and Property of Vanadium Oxide Nanorod LB film)； 2.論文《Improvement of Electroactivity of VO2 Nanowires through Langmuir-Blodgett Assembly》已在中國科技論文在線發(fā)表； 3.湖北省第七屆“挑戰(zhàn)杯”大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽一等獎。
鑒定結(jié)果
參考文獻
- 1.M.Li, H.Schnablegger, S.Mann, Nature, 402, 393 (1999). 2.P. D. Yang, F. Kim, Chem. Phys. Chem. 3, 503 (2002). 3.D. Whang, S. Jin, Y. Wu and C. M. Lieber, Nano Lett. 3, 1255 (2003). 4.D. Whang, S. Jin and C. M. Lieber, Nano. Lett. 3, 951 (2003). 5.P. D. Yang, Nature 425, 243 (2003).
同類課題研究水平概述
- 一維納米材料，如納米管，納米線等，由于他們獨特的結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的物理性能以及潛在的應(yīng)用價值使其在納米科學(xué)界已經(jīng)引起了廣泛的關(guān)注[1-2]。隨著對其組成、形貌、尺寸的人為可控，人們希望能對其進行有序可控的組裝，從而使其得以充分的展示和應(yīng)用。如何對一維納米材料的表面進行功能化處理，解決團聚問題，提高其分散性，并對其進行擇優(yōu)取向排列和有序組裝，是納米材料科學(xué)領(lǐng)域十分重要的研究課題，對納米材料的器件化和實用化具有重要意義。目前存在的一個主要問題就是如何將這些納米尺寸的結(jié)構(gòu)進行有序組裝，進而構(gòu)筑成為有用的器件和系統(tǒng)[3-4]。 LB技術(shù)模仿了自然界運送伐木時的情形，能夠?qū)㈦s亂無序分散在水面上的納米材料組裝成大面積有序的納米單層膜，并且能被轉(zhuǎn)移到多種基底上，這種能夠?qū)⒔饘倩虬雽?dǎo)體一維納米材料轉(zhuǎn)移到多種基底上的可行性為電子學(xué)和光電子學(xué)研究指明了新的方向[4]。Yang等[5]首先在一維納米材料方面使用了LB技術(shù)。他們成功地在水面上組裝了小長徑比的納米棒，形成了類似于液晶的紋理結(jié)構(gòu)。到目前為止，各種這樣的一維納米結(jié)構(gòu)LB薄膜技術(shù)都已經(jīng)制備，比如C納米管，Ge納米線等。尤其是Lieber等，已經(jīng)運用這種方法從納米級到毫米級的尺度為沉積物和蝕刻術(shù)制作納米線模板。但到目前為止，尚未見報道有關(guān)二氧化釩納米線LB組裝及其組裝前后電性能和磁性能變化的研究。因此，本文的主要工作是對二氧化釩納米線進行了表面修飾和LB組裝，并通過各種測試揭示組裝前后其相關(guān)電性能和磁性能的變化，這對開發(fā)新型納米功能材料和器件具有重要的理論和應(yīng)用價值，這種方法對其他納米線，納米管的普遍應(yīng)用，以及大范圍功能化的納米系統(tǒng)的組裝、關(guān)聯(lián)、集成與應(yīng)用起到促進作用。 [1]Y. Xia, P. D. Yang, et al., Adv.Mater. 15, 353 (2003). [2]X. Peng, L. Manna, et al., Nature 404, 59 (2000). [3]P. D. Yang, F. Kim, Chem. Phys. Chem. 3, 503 (2002). [4]P. D. Yang, Nature 425, 243 (2003). [5]F. Kim, S. Kwan, et al., J. Am. Chem. Soc. 123, 4386 (2001).
