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作者：

陈兰

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摘要：

氧化钴纳米材料已成为当前纳米科技领域的重要材料之一,有着非常广泛的工业应用价值.它的催化性质,超级电容性质和磁性质已被广泛研究,但如何通过简单有效的方法获得具有优异性能的氧化钴纳米材料仍然具有很大的研究意义.科学家们已经制备出各种形貌和尺寸的氧化钻纳米结构,但它们的生长机制和对应的性质并没有完全被揭示出来,而且许多性质(如磁性质)的内在机理也没有被完全理解.因此,本文将从生长机制,超级电容性和磁性质来研究氧化钴纳米结构,并且利用第一性原理来揭示其性质的内在机理.论文主要包含以下几方面的工作: (1)研究了多孔氧化钴纳米线的前驱体—酒石酸钻钠纳米线的生长.我们通过一种简易的,环境友好的,乙醇辅助的水热法,制备出尺寸可控的酒石酸钴钠纳米线,该纳米线具有光滑的表面和好的直径单分散性,且通过调节反应时间可以将纳米线的直径控制在80-250nm范围内.制备均匀的酒石酸钴钠纳米线最优的反应参数包括乙醇与水的体积比为1:2,酒石酸钠的浓度为0.225M以及pH值大于13.5.提出了一种可能的生长机制,金属离子和配位基之间的作用导致生成了非晶金属酒石酸盐,同时工作中还证实了乙醇和水通过弱作用如氢键和范德华键参与了纳米线的形成.酒石酸钴钠纳米线的研究对于不同形貌和尺寸的金属有机纳米线的制备有指导意义. (2)研究了多孔氧化钴(Co3O4)纳米线的生长机制和超级电容性能.利用制备出的酒石酸钴钠纳米线作为前驱体,将前驱体纳米线在空气中进行煅烧获得一维多孔Co3O4多晶纳米线.该氧化钴纳米线的尺寸和形貌决定于煅烧时间和温度.最优的参数为温度为500℃,煅烧时间为1.5h.此时的纳米线上有许多分布十分均匀且尺寸单分散性好的大孔,同时还具有丰富的纳米孔隙和通孔结构,具有最优的电容性能.用循环伏安法对它的电化学性能进行研究发现在扫描速率为50mV/s时电容值可达923.24F/g,这说明这种C0304多孔纳米线材料可以适应快速的电流-电压响应,更适用于快速充放电,具有良好的大功率特性. (3)基于第一性原理方法研究了氧化钴(C0304)纳米线的原子结构以及电子结构和磁性.研究发现,单晶C0304纳米线的表面是{111}表面结构,最外层原子是Co3+离子.这些表面钴原子导致了在金属纳米结构中不常见的表面态(常见于半导体纳米结构中).这种表面态的能级处于体材料带隙中间.通过计算解释了实验中的表面态现象.另外,基于第一性原理计算,我们提出了氧化钴纳米线的核-壳磁性交换模型:表面Co3+离子之间是铁磁性耦合;内部Co2+离子之间是反铁磁性耦合;表面和内部(核-壳)之间是反铁磁性耦合;而表面和表面之间的耦合要决定于纳米线的直径.当纳米线的直径大于15.4A时,表面和内部的磁性耦合与表面和表面之间的磁性耦合出现了竞争关系,这种竞争导致实验中发现的自旋玻璃态,磁性指纹等复杂磁性现象的产生.并且这种核-壳磁性交换模型也解释了实验中的同一个结构的多种磁性转变温度,磁性交换偏压等现象,为其它金属氧化物纳米结构的磁性研究提供了理论研究基础. (4)结合实验观测和第一性原理理论方法,研究了氧化钴(CoO)纳米颗粒的结构和磁性质.这里我们重点研究了三种CoO纳米颗粒:八面体颗粒,球形颗粒,以及八面体和球形的混合形貌颗粒.发现八面体颗粒和混合形貌颗粒出现了铁磁性现象,它们的居里温度都是8K,并且,八面体颗粒的磁化率比混合形貌颗粒的磁化率要高.另外,球形颗粒则是顺磁体.因此随着八面体结构到球形结构的过渡,出现了铁磁性到顺磁性的相变.对称性分析可以得出,八面体结构的表面是{111}面结构.第一性原理研究表明,八面体颗粒和混合形貌颗粒的铁磁性来自于{111}表面的Co原子.因此可以理解,因为八面体颗粒有八个{111}面,而混合形貌颗粒约为4个{111}面,八面体颗粒的磁化率理应比混合形貌颗粒的要高.

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关键词：

氧化钴；纳米结构；超级电容器；溶剂热法/水热法；磁交换耦合；第一性原理

学位级别：

博士

DOI：

CNKI:CDMD:1.1015.528189

被引量：

3