分级纳米结构

分级纳米结构（精选三篇）

分级纳米结构 篇1

文章采用简单的溶剂热方法, 合成了多种形貌的Sn S纳米材料, 系统地探讨了硫源、反应温度、配位剂及含量以及表面活性剂对Sn S纳米材料形貌的影响。 并对形貌均匀的Sn S进行了光催化实验, 结果表明它具有较好的光催化性能。 文章的研究对于Sn S纳米材料的光催化应用具有一定的参考价值。

1 实验方法

1.1 Sn S纳米材料的合成

所有的原料均为分析纯级别, 购置后直接使用, 未作进一步的处理。

将3mol的Sn Cl2·2H2O和等物质量的硫源分别溶于30m L的乙二醇中, 完全溶解后将两者混合, 再加适量的络合剂三乙醇胺或六甲基二硅氮烷, 表面活性剂聚乙烯吡咯烷酮 ( PVP) 或溴代十六烷基三甲胺 ( CTAB) 。 混合均匀后将其倒入100m L反应斧中, 反应斧密封后置于马弗炉中以10℃/min的升温速率将其升至160~200℃, 并保温12h自然冷却至室温, 产物为黑色沉淀。 沉淀用无水乙醇和蒸馏中反复洗涤并离心分离4 次, 得到的产物在60℃的真空中干燥2 天。

1.2 样品的表征

样品的物相采用XRD ( Rigaku D/MAX-LLIA) X射线衍射仪 ( Cu, Kα) 进行表征, 测试角为10-80°, 扫描速度为4°/min。 样品的形貌采用电子显微镜 ( Hitachi S-3400) 进行观察。 Sn S的光学带隙是用50mg的样品与标准2.0g的Ba SO4混合压片, 采用紫外光谱仪 ( Shimadzu UV-2550) 积分球测试其吸收光谱, 并采用公式 αhv=A ( hv-Eg) n/2计算其带隙。 这里 α、hv、A和Eg分别为吸收系数、光子能量、比例系数及带隙。n的取值若为直接带隙则取1, 间接带隙取4。

1.3 光催化性能测试

取20mg的样品置于浓度为8mg/L罗丹明 ( Rh B) 溶液中, 并置于暗室中进行搅拌1h, 使其达到吸附平衡, 这时Rh B溶液的吸收系数不再发生变化。 将其置于350W装有 λ>420nm滤光片的氙灯下进行光催化反应, 隔段时间取出4m L的Rh B溶液离心后测试其紫外吸收光谱。 光催化的残余率c/c0用A/A0来表征, 这里c、c0分别表示Rh B溶液的浓度, A、A0表示Rh B溶液在 λ=554nm的吸收值。

2 结果与讨论

2.1 纳米Sn S的形貌控制

2.1.1 硫源的影响

图1 ( a) 为分别以硫脲和硫代乙酰胺为硫源、水热温度为160℃合成Sn S的XRD图, 从图可以看出两种硫源均可制备纯相的Sn S, 基本上均无其它杂质峰出现。 但由于硫代乙酰胺的分解温度低, 由它制备的Sn S结晶度要比由硫脲制备的结晶度高。 图1 ( b) 和 ( c) 为两者的SEM图, 从图可知以硫脲为硫源的体系, 能得到纳米片聚集的大小为0.5-2μm纳米花的分级结构, 纳米片较薄, 只有几个纳米左右。 而以硫代乙酰胺为硫源的体系, 只能得到不规则的形貌。

2.1.2 温度的影响

图2 ( a) 是硫脲在三种不同的温度下合成的Sn S的XRD图, 可以看出三种温度下均无其它杂质相出现, 随着温度的升高Sn S的结晶度增加, 原本在160℃合并在一起的 ( 120) 和 ( 021) 衍射峰在180℃后开始发生了分裂。 升高温度没有引起其形貌的明显变化。 它们仍然为纳米片组成的分级结构, 180℃ 生成的Sn S纳米花 ( 图2 ( b) ) 的大小与160℃ 时基本一致, 200℃形成的纳米花 ( 图2 ( c) ) 则明显变小, 这表明随着温度的进一步升高, 纳米片的厚度在增加, 而厚度的增加是以消耗纳米片宽度为代价的。

2.1.3 络合剂的影响

( 1) 三乙醇胺 ( TEA) 的影响

图3 (a) 为以硫脲和硫代乙酰胺为硫源, 添加了三乙醇胺后, 反应温度均为200℃时合成SnS的XRD图。 以硫脲为硫源, 与同温度下没添加三乙醇胺的XRD图 ( 图2 ( a) ) 相比, 三乙醇胺使产物Sn S的结晶度明显降低, ( 120) 和 ( 021) 的衍射峰合并在一起是最明显的例证。 以硫代乙酰胺为硫源的产物也有相同的情况。 另外, 三乙醇胺的添加使产物更易聚集成球形的分级结构。 以硫脲为硫源合成的SnS仍然为纳米片状的组装体, 添加2mL的三乙醇胺已使组装体变为独立分散的球 ( 图3b) ;添加5mL的三乙醇胺后使球体的表面更光滑, 纳米片聚集的更紧密, 片间的间距更小 ( 图3 ( c) ) 。 而以硫代乙酰胺为硫源, 添加了5mL的三乙醇胺后合成的SnS也变成了规则的纳米颗粒聚集体。这是因为三乙醇胺在反应前能与Sn2+形成配合物, 这些配合物在溶液中以球形胶束的形式存在, 当达到一定的温度时, 由硫源分解出来的硫离子会与胶束中的配合物争夺Sn2+, 由于SnS比[Sn ( TEA) n]2+更稳定[12], 因而形成的SnS基本保持在原来配合物的位置, 即为配合物的胶束形貌。由于硫代乙酰胺的分解温度较低, 反应时溶液中有大量的S2-, SnS形核后的生成速度非常快, 很快便长大成密实的球形聚集体。 而硫脲的分解温度更高, 晶体生长速度缓慢, 而SnS为层状晶体结构, 其在b轴方向原子层间仅以范德华力相联系[13,14]。 在这种缓慢的生长条件下, S2-能选择性地吸附在SnS的高能面上, 从而发生了取向生长, 长成层片状结构。

( 2) 六甲基二硅氮烷 ( HMDS) 的影响

图4 ( a) 和 ( b) 分别为以硫脲为硫源, 体系中加了5mL的TEA后, 又分别加2mL和5m L HMDS后在200℃ 反应合成SnS的SEM图。 由于HMDS在乙二醇中的溶解度不高, 加了TEA后能增加它在乙二醇中的溶解度, 使反应体系更均匀。 由于TEA的存在, SnS的形貌均为球形分级结构, 但由于HMDS的添加, 使纳米片的厚度明显增加, 且纳米片间的间距减少。

2.1.4 表面活性剂的影响

图5 ( a) 和 ( b) 为硫脲体系中加入了5m L TEA后, 又分别加入0.5g表面活性剂聚乙烯吡咯烷酮 ( PVP) 和溴代十六烷基三甲胺 ( CTAB) 在200℃反应合成Sn S的SEM图。 由图可知PVP的加入使纳米片的间距增大, 这是因为PVP中含C=O、-N=等配位基团, 它们能与Sn2+形成配合物, 另一方面, PVP中又含有长链的烷基, 它们的存在又增加了空间位阻作用, 因些形成的Sn S纳米片之间有较大的间距。 而CTAB与Sn2+几乎不形成配合物, 因而对其形貌几乎没有影响。

2.2 纳米SnS的吸收光谱及能带宽度

图6 ( a) 是以硫脲为硫源, 加入5m LTEA, 反应温度为200℃合成Sn S的吸收光谱。 由图可知, Sn S在300~800nm波长范围内均有吸收, 但相对Cd S等物质, 其吸收强度并不太高。根据带隙的计算公式 ( 1.2 部分) , 由图6 ( b) 拟合计算的Sn S直接带隙值为1.42eV。由于纳米片较薄 ( 图3 ( b) ) , 有一定的量子效应, 带隙值略为有些蓝移现象, 但基本在文献报道的范围内。

2.3 纳米SnS的光催化性能

图7 为图6 中的样品的光催化性能。 由于光催化性能与物质的比表面积有较大关系, 我们选择了比表面积较大的上述样品进行光催化实验, 并将其与标准二氧化钛进行了比较。由图可知, 由于其较高的比表面积, 该样品具有较强的吸附性能, 其在30min吸附了23.4%的Rh B溶液, 且随着时间的增加其吸附量进一步增加, 直至达到平衡时吸附了30%。 其吸附率远超过TiO2 ( TiO2吸附率仅为4%, 图7 ( b) ) 。 再经过光照1h后, RhB溶液的降解率达到41.7% , 4h后RhB溶液仅剩23.4%, 这表明SnS具有一定的可见光催化性能。 与文献中的SnS可见光催化性能相比, 其性能有所提高[10,15,16]。 一方面这是由于合成的SnS具有较高的比表面积, 另一方面, 采用溶剂热的方法可使反应温度和时间更易控制, 可通过较高的温度和较长时间的反应使合成的SnS表面具有更少的缺陷, 因为表面的缺陷会导致电子与空穴的复合, 从而降低其催化性。 但与CdS、Ag系化合物和Bi系化合物比[17,18], SnS的催化性能还有待进一步提高, 这与物质的本性有关, 由图6 ( a) 可以看出, 其吸收系数不是太高, 因此要提高其催化性能, 可通过与高吸收系数物质复合。

3 结束语

分级纳米结构 篇2

树结构分级分类存储及其在工程结构CAD中的应用

传统的树结构数据存储是按元素的大小关系,而对于工程结构CAD中的图元不好定义大小关系,给树结构应用带来不便.因此改变树结构的存储方式,将树结构按分级分类方式存储,并给出了一种图形元素的分级等价关系,用等价关系对图元进行分类.采用这种存储方式,能方便地提取具有某一特征的子结构树、删除树结点、分级分类插入树结点等操作.给出的算例表明分级分类的.存储能提高搜索速度、方便进行分级分类的子结构树的数据处理,这种树结构存储方式适用于定义有分级等价关系的数据.

作 者：袁政强 李宾 谢晟  作者单位：袁政强(重庆大学,土木工程学院重庆,400030)

李宾,谢晟(重庆大学,计算机学院,重庆,400030)

刊 名：重庆大学学报(自然科学版)  ISTIC EI PKU英文刊名：JOURNAL OF CHONGQING UNIVERSITY(NATURAL SCIENCE EDITION) 年，卷(期)：2004 27(1) 分类号：O153 TP311.12 TB237 关键词：数据结构   树结构存储   工程结构CAD   等价关系  

分级纳米结构 篇3

电池组是电动汽车上最昂贵的组件，如泰斯拉跑车（Tesla Roadster）和日产Leaf（Nissan Leaf）都是这样。这一成本不是使电动汽车太昂贵，大多数人买不起，就是促使汽车制造商采用小型电池组，限制了汽车的行程。

为了降低电池成本，提高其性能，五河公司创办者，中国科学院化学教授于郭郭（Yu-Guo Guo），开发了新的，低成本的方式，提高锂铁磷酸盐（lithium-iron phosphate）的性能，这是一种领先的锂离子电池电极材料，他也开发了其他有前途的电极材料。

通常情况下，锂铁磷酸盐的电导率过低，不能使用。这一电导率可以提高，只需把它研磨成极其精细的纳米粉末，就像一些公司如A123系统公司（A123 Systems）所做的。由于这种粒子很小，电子或锂离子这两者都必需产生电流，因而就可以很快地进出它们。但是，这种粉末很难使用，会提高制造成本。

于郭郭的解决方案是集成磷酸铁（iron-phosphate）纳米粒子，它们更容易密集堆积，不太可能变成在空气中传播，但是会保留高导电性。他没有提供精确的细节，但他说，这项技术是基于他早期发表的一些作品。这项工作的一个例子中，他把纳米颗粒嵌在多孔碳（porous carbo）制成的较大颗粒中。碳导电性好，而微孔容纳电解质材料，传导锂离子很好。

于郭郭说，这些材料的制备只贵了10％到20％，这是对比大块锂磷酸铁而言。但是，它们可以传导的电力约两倍于这种块状材料，也使锂磷酸铁可以获得两倍多的能量，大约使能量存储容量提高一倍。他说，按每瓦时计算，这种材料的成本等同于其他锂磷酸铁电极材料。但是，由于这种材料较容易使用，它也可削减成本，把这种材料装进电池单元。五河公司是于郭郭去年年底成立的，公司已经能够每年生产300吨电极材料，足以制成约3000万个标准锂离子电池单元。公司也制造电池单元，首批应用是电动自行车。目前，公司可以生产足够的电池，大约每年供应500辆电动汽车。

Jeff Dahn是Dalhousie University的物理和化学教授，他说，根据公司的业绩数字，磷酸铁电池将是“非常有用的”，并且性能更好，胜过现在电动雪佛兰伏特（Chevrolet Volt）使用的电池。他预测，五河公司会找到市场。

铅酸电池不等于落后技术

铅酸电池，是电极主要由铅及其氧化物制成，电解液为硫酸溶液的一种蓄电池。法国人普兰特于1859年发明的铅酸电池，已经历了近150年的发展历程，被广泛应用于交通、通信、电力、军事、航海等多个领域。

如今，在大力发展电动汽车的背景下，铅酸电池应用于新能源汽车上，受到了一些质疑。奇能电池（江苏）有限公司总经理费扬告诉记者，铅酸电池存在很多弊端。“铅酸电池含有铅和酸性物质，容易造成污染。另外，铅酸电池的使用寿命也达不到汽车的要求，一般使用1年左右就要更换。对于新能源汽车所要求的能量密度，铅酸电池也恐难以达到。”

不过，也有人依然看好铅酸电池。“在目前镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池等相继上市的情况下，铅酸电池仍能在市场上占有一席之地。这绝非偶然。”中国电池工业协会副理事长、天能电池集团董事长张天任认为，“铅酸电池是相对成熟的动力电池，但绝不等于落后技术。铅酸电池有很多优点，技术成熟、成本低、安全性好、可回收再利用、有记忆效应，缺点是体积大、比容量低，循环寿命不够长。”

近年来，铅酸电池在竞争中发展了许多新技术，如三维及双三维结构电极和全密封式、管式、水平式等新结构；使用新的铅合金电极，可促进比能量逐渐提高，循环寿命可长达4500次。“目前铅酸电池的利用率不到50%，还有很大的提升空间。通过不断的技术革新，铅酸电池将焕发出新的生机。”张天任说。

至于铅酸电池的污染问题，有专家指出，国际先进的工艺技术可对铅酸电池的污染进行有效控制。国内先进铅酸电池企业的环保排放达标率已由十年前的5%提高至99.5%，而且可实现循环利用。

■铅酸电池升级版已问世

除铅酸电池本身的性能改进外，铅酸电池的应用结构也在发生着变化。哈尔滨工业大学应用化学系主任胡信国提出了“超级电池”的概念。据他介绍，超级电池是把铅酸电池和超级电容器混合在一起，同时具备铅酸电池和超级电容器的功能。超级电池把铅酸电池负极板的一半做成超级电容器的„碳电极‟，另一半做成铅酸电池的„铅负极‟，在电池内部将两者并联起来。汽车启动时所需的大功率用电由碳电极提供，匀速行驶时所需能量由铅酸电池的铅负极提供。车辆需要大电流时，超级电容器起主要作用。两者功能实现互补，比普通铅酸电池更具优越性。

据介绍，这种超级电池的体积比超级电容器小，价格比普通铅酸电池稍高一点，但比镍氢电池和锂电池都便宜。“价格只有镍氢电池的1/4。它是由制造技术成熟的铅酸电池升级换代而来，因此在成本上不需要更多投入，同时安全性也有保障。超级电容器可保证很大的功率，能满足强混合动力车的要求。”胡信国说。

■铅酸电池未来仍有市场

不论何种技术，先进也罢，落后也罢，最终决定其能否生存的都是市场。在张天任看来，目前乃至于未来10~20年内，铅酸电池还会在动力电池系统中占据重要地位。“如果超级电池取得成功，铅酸电池加上超级电容器或其他系统配置，能够基本达到新能源汽车的使用要求，实实在在做出来的产品，肯定比试验室里的东西更有说服力。”

中国汽车工程学会副秘书长张进华认为，尽管新能源汽车发展热潮并没对提高铅酸电池性能有过多预期，但我国汽车市场很大，铅酸电池还有发挥作用的空间，所以不能简单淘汰，应该允许在一些车型上使用。

同济大学研究生院副院长、汽车学院车用动力学责任教授李理光认为，现在高性能铅酸电池技术成熟，已经实现产业化，一些混合动力车型的启停系统都采用了高性能铅酸电池，值得推广。