原位同步輻射技術研究金屬納米材料生長及熱擴散機理.pdf

1、功能材料的可控合成和性能剪裁是當今材料科學研究的重要研究方向之一，核心問題是從原子和分子水平上揭示材料制備、結構以及性能調控的動態(tài)過程，優(yōu)化和指導功能材料在原子和納米尺度上的化學和物理的動力學進程，不斷創(chuàng)造和革新我們現(xiàn)有的物質和能量體系，以滿足人類發(fā)展的各種物質需求。同步輻射大科學裝置在基礎科學研究中扮演愈來愈重要的角色。原位同步輻射實驗新方法能夠實時有效地跟蹤功能材料在真實反應中的變化過程，有望在應用納米科技和解決能源危機上取得重要進

2、展。本論文工作主要是依托NSRL的X射線實驗站(U7B和U7C)搭建的原位裝置（高低溫原位XAFS和UV-Vis-XAFS聯(lián)用裝置）。利用原位裝置研究一些重要的科學問題（納米晶體的生長和擴散動力學問題）如:納米晶體的初期成核路徑對其后期形貌的影響和雙金屬納米擴散機理的動力學研究。本論文取得的具體研究成果如下:
　　1.納米晶體的初期成核路徑對其后期形貌的影響的機理研究為了實現(xiàn)可控合成并操縱擁有特定剪裁性能的新功能材料，就需要我們對

3、納米材料的形成反應機理做出深刻的認識。雖然科學工作者們在納米材料的成核和后期生長方面做了大量的研究，但是目前對納米晶體的初期成核的路徑和后期生長形貌之間的關系了解的很少。因此，論文第二章節(jié)工作搭建原位同步輻射XAFS和UV-Vis聯(lián)用裝置，并應用于原位研究不同形貌Pt納米晶體的生長機理，首次觀察到通過操縱化學還原反應的路徑實現(xiàn)Pt納米晶顆粒形貌的控制合成;通過改變還原劑的強弱，可以對初期成核在兩種路徑之間進行轉換。還原反應中初期成核兩種

4、路徑:即在弱還原劑條件下形成線性'PtnClx'多聚體、在強還原劑條件下形成球形零價'Ptn'團簇;通過操縱這兩種路徑，可以成功實現(xiàn)Pt納米晶零維和一維形貌的控制合成，相關研究成果發(fā)表在化學領域國際權威期刊《美國化學會志》[J.Am.Chem.Soc,134,9410(2012)]2.雙金屬納米擴散機理的動力學研究納米尺度下的熱驅動擴散在制造納米器件和改善物質材料的性質有著廣泛的應用，它決定了化學反應速度和反應路徑過程以及結構的轉變。然

5、而目前研究原子量級的擴散主要還是停留在凝聚態(tài)物理中，即通過理論計算模擬得到擴散速率和推測擴散機理。由于技術手段的限制對探測10 nm以下納米材料擴散過程還有很大的局限性，用實驗的手段很難觀測納米材料擴散過程。我們用同步輻射時間分辨XAFS技術對的雙金屬核殼的擴散過程進行了研究。論文的第三章節(jié)采用高低溫原位XAFS裝置研究了Cu@Au核殼結構在變溫的驅動下發(fā)生擴散的機理。首次觀察到單一的擴散過程，而這種擴散必須依賴于CuAu金屬間的化合物

6、。從實驗的角度彌補了擴散過程只有理論計算和模擬的研究。單一擴散的發(fā)現(xiàn)將為對操控擴散過程和調控雙金屬結構有著很大的啟示，相關研究成果發(fā)表納米頂級期刊ACS nano期刊上[ACS nano8，1886(2014)]。
　　3.AuCu nanocage合成與制備的研究金屬空心納米材料，由于其具備高比表面、低密度以及結構可控等特性，表現(xiàn)出區(qū)別于大尺寸體相材料的獨特性能，廣泛應用于催化、能量儲存和藥物傳輸?shù)阮I域而倍受關注。通過對成分、尺