【摘要】：在納米材料顯得日益重要的今天,為了獲得性能更加優(yōu)越的功能材料,許多新的制備方法被科學(xué)家們發(fā)明了出來。超聲化學(xué)法是眾多新型納米材料制備方法中比較獨(dú)特的一種,它能在溶劑內(nèi)局部形成高溫高壓,從而降低對反應(yīng)條件的要求,由于反應(yīng)過程迅速,避免了材料合成過程晶粒的異常長大,降低了微小晶粒的表面自由能,而且整個過程安全可靠。利用超聲化學(xué)法制備納米顆粒時(shí),除了超聲的參數(shù)需要調(diào)整之外,溶劑的選擇也是至關(guān)重要的一個環(huán)節(jié)。有機(jī)溶劑作為一類化學(xué)反應(yīng)中大量使用的溶劑,在利用超聲化學(xué)法制備納米材料的過程中有著許多應(yīng)用。另一方面,室溫離子液體作為一類特殊的反應(yīng)溶劑也被應(yīng)用到納米材料的超聲制備中來,它可以溶解多種無機(jī)和有機(jī)材料,并且無色無嗅、基本無毒、熔點(diǎn)低、抗水解、零蒸汽壓、粘度系數(shù)大、空化閾值高、高熱穩(wěn)定,將它與超聲技術(shù)相結(jié)合,空化強(qiáng)度大,是制備納米材料的“綠色”反應(yīng)溶劑。在對利用超聲化學(xué)法制備出的納米顆粒進(jìn)行表征時(shí),除了利用傳統(tǒng)的X射線衍射(XRD),透射電子顯微鏡(TEM),熒光光譜(PL),紅外光譜(IR)外,光聲光譜(PAS)作為一種研究物質(zhì)吸收光譜的新技術(shù),也被應(yīng)用到本文的研究中來。本論文對所有樣品的光性能都作了詳細(xì)的研究。本論文主要由以下七個章節(jié)內(nèi)容構(gòu)成:第一章,簡要地概括了納米材料的發(fā)現(xiàn)、定義、分類、特性以及一些常見的制備方法,介紹了超聲化學(xué)法的基本原理及其在制備納米材料中的具體優(yōu)勢,對常見的納米材料物化性質(zhì)的表征方法作了簡明的介紹,并著重回顧了光聲光譜技術(shù)的歷史背景、基本原理、應(yīng)用領(lǐng)域以及理論和技術(shù)的進(jìn)展。本章最后給出了本論文的研究內(nèi)容和意義。第二章,首先介紹了 ZnO納米材料的研究進(jìn)展,之后在室溫離子液體中利用超聲化學(xué)法合成ZnO納米材料,并于在三甘醇(TEG)中制備的ZnO進(jìn)行對比,分析了兩種溶劑制備的ZnO的特征尺寸及發(fā)光特性,揭示了室溫離子液體在納米材料制備中的優(yōu)勢。同時(shí)在室溫離子液體中制備摻雜有稀土元素(Y3+、Tb3+、Er3+)的ZnO,得到這些樣品的發(fā)光特性。第三章,利用超聲化學(xué)法制備了高濃度Cd摻雜ZnO的納米顆粒,并對樣品進(jìn)行XRD、TEM、IR表征,進(jìn)而又對樣品禁帶寬度隨著Cd摻雜濃度的增加而變化的過程進(jìn)行了詳細(xì)的討論,認(rèn)為納米顆粒禁帶寬度這種復(fù)雜的變化可以歸結(jié)為量子尺寸效應(yīng)和元素?fù)诫s效應(yīng)的相互作用,針對此現(xiàn)象提出了一個近似的公式來解釋禁帶寬度的這種變化。最后又對反應(yīng)機(jī)理給出了解釋。第四章,首先介紹了 TiO2納米材料的研究進(jìn)展,之后通過超聲溶膠-凝膠法制備了 Pr3+摻雜TiO2納米材料,并通過使用Pr3+作為光聲探針來研究相變期間樣品結(jié)構(gòu)的變化。結(jié)果表明超聲化學(xué)法在納米材料結(jié)構(gòu)形成的過程中起到了至關(guān)重要的作用。最后還討論了摻雜的Pr3+對樣品的銳鈦礦相的穩(wěn)定作用。第五章,介紹了稀土配合物的光致發(fā)光現(xiàn)象,并通過超聲溶膠-凝膠法將稀土β-二酮配合物L(fēng)n(btfa)3·2H2O摻雜到SiO2凝膠中,利用光聲光譜(PAS)和熒光光譜(PL)對樣品進(jìn)行分析,最后基于兩種光譜的分析結(jié)果提出了樣品的激發(fā)弛豫模型,表明了光聲光譜技術(shù)在研究不透明、高反射或高散射樣品的光激發(fā)弛豫過程中有著巨大的應(yīng)用前景。第六章,介紹了室溫離子液體中的超聲空化反應(yīng)機(jī)理,利用Flynn修正的超聲空化氣泡動力學(xué)模型對空化過程進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算和模擬仿真,分析了超聲激勵聲壓幅值(Pa)、超聲激勵頻率(f)、氣泡初始半徑(R0)這三個參數(shù)對空化過程的影響。研究了不同環(huán)境溫度(T0)下室溫離子液體各項(xiàng)物理參數(shù),特別是粘滯系數(shù)對空化反應(yīng)的影響。第七章,全文總結(jié)和工作展望。
【學(xué)位授予單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TB383.1
【圖文】：

增化學(xué)反應(yīng)速率。超聲空化提供的能量形式，在作用時(shí)間、壓力及每個分子可以獲得的能量逡逑等方面完全不同于一些傳統(tǒng)的能源，如光能、熱能及離子輻射能等。逡逑圖１．２給出了幾種不同能量形式參與的化學(xué)反應(yīng)，即光化學(xué)、聲化學(xué)、等離子化學(xué)、火逡逑焰化學(xué)、熱化學(xué)、壓力化學(xué)、沖擊化學(xué)及地球化學(xué)。圖中的三個軸，分別表示不同形式能量逡逑的作用時(shí)間⑸，壓力（ａｔｍ）以及每個分子獲得的能量范圍（ｅＶ）。逡逑圖１．２參與化學(xué)反應(yīng)的幾種能量形式１４３）逡逑關(guān)于超聲空化的反應(yīng)過程如圖１．３所示，關(guān)于單個超聲空化氣泡的動力學(xué)過程將在第六逡逑章中詳細(xì)討論。當(dāng)具有足夠幅度的超聲波通過液體傳播時(shí)．液體處于動態(tài)拉伸應(yīng)力下，密度逡逑也隨著氣泡的膨脹和壓縮而交替變化�？栈藢⒂深A(yù)先存在的雜質(zhì)產(chǎn)生，并與施加的聲場一逡逑起震蕩。氣泡通過不斷地吸收來自液體中的氣體而逐漸變大，處于臨界尺寸的氣泡強(qiáng)烈地耦逡逑合到聲場，并在膨脹相期間經(jīng)歷快速的慣性過度生長，最后引起崩潰。由于液體中在負(fù)聲壓逡逑作用下形成的空穴里面含有溶劑及其他揮發(fā)性試劑的蒸汽

超聲將超聲探頭浸入到反應(yīng)溶液中，是超聲波的能量直接作用于反應(yīng)體系，溶液獲得的聲能逡逑量也更大。逡逑圖１．４空化泡中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的區(qū)域逡逑Ｓｕｓｌｉｃｋ等還認(rèn)為超聲空化可以誘發(fā)三個不用的化學(xué)反應(yīng)區(qū)域［４３），如圖１．４所示。從內(nèi)到逡逑外可以分為三層：１．空化泡中為高溫氣體；２．主體溶液與空化泡的氣液界面上，是很薄的逡逑一層；３．主體溶液中。在這三個區(qū)域中，溫度從內(nèi)到外逐漸降低，所以一般認(rèn)為超聲化學(xué)反逡逑應(yīng)主要發(fā)生在氣相區(qū)和氣液界面上。這也解釋了，為什么空化泡崩潰時(shí)的溫度能夠達(dá)到幾千逡逑Ｋ而主體溶液溫度仍然只有幾十Ｋ。逡逑１．２．２超聲化學(xué)法制備納米材料的幾種方法逡逑利用超聲波制備納米材料的方法主要有超聲溶膠－凝膠法、超聲沉淀法、超聲電沉積法、逡逑８逡逑

邐５００逡逑ｔｉｍｅ邋（（ｉｓ）逡逑圖１．３超聲空化反應(yīng)過程示意圖逡逑另外，超聲波對反應(yīng)溶液進(jìn)行超聲作用時(shí)，還可分為間接超聲和直接超聲兩大類。間接逡逑超聲一般使用的是槽式超聲，多用于超聲清洗，也可用于化學(xué)反應(yīng)。相比于間接超聲，直接逡逑超聲將超聲探頭浸入到反應(yīng)溶液中，是超聲波的能量直接作用于反應(yīng)體系，溶液獲得的聲能逡逑量也更大。逡逑圖１．４空化泡中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的區(qū)域逡逑Ｓｕｓｌｉｃｋ等還認(rèn)為超聲空化可以誘發(fā)三個不用的化學(xué)反應(yīng)區(qū)域［４３），如圖１．４所示。從內(nèi)到逡逑外可以分為三層：１．空化泡中為高溫氣體；２．主體溶液與空化泡的氣液界面上，是很薄的逡逑一層；３．主體溶液中。在這三個區(qū)域中，溫度從內(nèi)到外逐漸降低，所以一般認(rèn)為超聲化學(xué)反逡逑應(yīng)主要發(fā)生在氣相區(qū)和氣液界面上。這也解釋了，為什么空化泡崩

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2795390