纳米粒子在液/液界面自组装及其电催化和光谱的特性研究

摘要

纳米粒子薄膜是指以纳米粒子为基本单元所构成的二维纳米结构材料，在催化、能源、传感以及医疗诊断等领域有广泛的应用。此外，二维纳米结构薄膜也可以进一步作为构筑单元来制备三维纳米结构。由于纳米粒子薄膜中纳米粒子间的相互作用，纳米粒子薄膜经常呈现出单个纳米粒子和本体材料不具备的宏观特性，因此，控制纳米粒子薄膜的结构就成为调控其特性的有效手段。为此，科研工作者发展了各式各样的纳米粒子薄膜制备方法。然而，在众多的纳米粒子薄膜的制备方法中，纳米粒子的液体/液体界面自组装以其简单、便捷和无需仪器的优势，备受科学家们的关注。因此，发展可控液/液界面自组装方法和研究纳米结构与其性能的关系，将是一项非常有意义且负有挑战性的工作。基于此，本论文主要开展了以下的研究：
(1) 液/液界面自组装机理研究：以乙醇诱导界面自组装方法为实验基础，以球体、立方体、圆柱体三种理论模型为研究对象，讨论粒子被吸附至界面过程中体系的能量变化。在球体、立方体和圆柱体粒子进行相应的理论和实验研究表明在热力学最稳定状态下球体、立方体和圆柱体三种构型的纳米粒子均能在油/水界面吸附，并组装成薄膜。同时，也讨论了表面活性剂和油的类型对纳米粒子组装的影响。
(2) 界面组装纳米粒子薄膜的机械稳定性研究：以铂纳米粒子为对象，采用循环伏安法和旋转圆盘电极计时电流法研究了界面组装的铂纳米粒子对氧分子的电还原。结果表明：界面组装制备的单层铂纳米粒子薄膜不仅具有良好的电催化能力，并且高强度地粘滞在玻碳电极表面，在电极旋转的这种恶劣的条件下也不脱落。
(3) 界面组装的金纳米粒子薄膜结构对 CO电催化研究：将乙醇和甲苯混合溶液注入到金溶胶内部，诱导金纳米粒子在甲苯/水界面上吸附，并组装成纳米粒子薄膜，通过逐渐增加乙醇在混合物中的浓度来控制薄膜中金纳米粒子的聚集度。相对粒子状的金纳米粒子薄膜而言，链状聚集的金纳米粒子薄膜能够有效地电催化氧化 CO。
(4) 金/铂复合纳米结构薄膜对甲醇的电催化研究：通过组装金纳米棒单层薄膜和金纳米粒子单层薄膜，并采用湿法化学方法在薄膜上修饰超薄纳米铂，考察铂修饰在金纳米材料薄膜上对碱性条件下甲醇的催化活性。结果表明，各种材料的催化能力如下：铂修饰的金纳米棒电极>铂修饰的金纳米粒子电极>铂修饰的电极，揭示了 Au和 Pt的协同效应是复合催化剂高活性的起源，同时也表明金纳米粒子的形状对电催化影响。
(5) 银纳米线和碳纳米管复合薄膜对 H2O2的电催化研究：采用多次转移界面纳米粒子薄膜的方法制备了银纳米线和碳纳米管复合薄膜，由于层与层之间没有加入任何交联剂，这种复合材料显示出良好的电子传导能力，对 H2O2的响应迅速，实现了对 H2O2的快速检测。
(6) “三明治”式的银纳米线薄膜的拉曼增强效应：采用层层组装技术将染料分子夹在两层银纳米线单层膜之间，上下两层纳米线的耦合能够进一步增强了表面等离子体共振强度，从而实现拉曼信号的增强。
(7) 界面上的银纳米立方体定向刻蚀：理论计算显示银纳米立方体在界面上是最稳定的状态：一面浸在油相，相同体积的一面浸没在水相。根据此原理，利用水溶性刻蚀试剂原位定向刻蚀处于油/水界面上的银纳米立方体，在立方体的一个面上定向刻蚀空洞。

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第1章 绪 论

1.1 纳米材料概述

1.2 纳米结构薄膜

1.3 纳米粒子在两相界面上的自组装

1.4 纳米薄膜材料在高科技领域中的应用

1.5 本研究论文的工作内容和创新

第2章 实 验

2.1 实验仪器及器材

2.2 试剂和溶液

2.3 基底和电极处理

2.4 纳米微粒的合成

第3章 油/水界面快速制备纳米粒子薄膜方法和机理初探

3.1 前言

3.2 制备大面积纳米粒子薄膜

3.3 结果和讨论

3.4 小结

第4章 油/水界面制备纳米粒子薄膜的电催化行为

4.1 组装金纳米粒子及其对CO的电催化氧化

4.2 铂修饰的金纳米棒和粒子界面薄膜对甲醇电催化性能研究

4.3 组装铂纳米粒子对甲醇的电催化研究

4.4 基于层层组装银纳米线和碳纳米管制备复合薄膜对H2O2的电催化研究

第5章 油/水界面组装纳米粒子薄膜的表面增强拉曼散射活性研究

5.1 层层组装银纳米线及其表面增强拉曼散射研究

5.2 组装金纳米粒子及其表面增强拉曼散射

第6章 在甲苯/水界面相选择制备双面神粒子

6.1 前言

6.2 实验操作

6.3 结果与讨论

6.4 小结

结论和展望

参考文献

附录A 攻读博士学位期间发表的学术论文

致谢