基本信息
- 项目名称：
- 二氧化钒纳米线的Langmuir-Blodgett可控组装与性能
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 如何对一维纳米材料的表面进行功能化处理，解决团聚问题，提高其分散性，并对其进行择优取向排列和有序组装，是纳米材料科学领域十分重要的研究课题，对纳米材料的器件化和实用化具有重要意义。该作品选择可用于电化学、自旋电子等领域的二氧化钒纳米线为研究对象，采用硬脂酸及十六烷基三甲基溴化铵混合表面活性剂对纳米线进行单分散修饰，实现了纳米线（00L）晶面择优取向排布和局部有序排列，发现LB组装过程中表面压-面积曲线上滞后行为的存在对应于纳米线的筏状排列，纳米线（00L）晶面择优取向归因于表面活性剂对（001）晶面的择优配位效应。二氧化钒纳米线LB膜显示顺磁性,相对于二氧化钒纳米线粉末其电化学性能得到提高，比容量、电流密度和电导率均提高约两个数量级。这一研究能够使二氧化钒纳米线得到更好的单分散、择优取向和性能优化，为相关纳米器件的组装、集成和优化奠定基础。
- 详细介绍：
- 通过硬脂酸（SA）和十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）的修饰，实现了二氧化钒纳米线在有机溶剂中的均匀分散；采用LB技术，完成了二氧化钒纳米线的组装。在组装过程中，随着表面压的不断增大，分散性良好的纳米线逐渐形成局部区域有序的纳米单分子层，在松弛之后，纳米线的筏状结构依然保留。从π-A曲线中可以看出，二氧化钒纳米线表现出了滞后行为，通过扫描电子显微镜证明了上述实验结果。XRD表明二氧化钒纳米线的LB膜是(00L)晶面择优取向的，这归因于表面活性剂对二氧化钒纳米线（001）晶面的择优配位。二氧化钒纳米线通过LB组装展现出的奇特取向以及这种方法对其他的纳米线，纳米管的普遍应用将会促使大范围的功能化纳米系统的组装、关联、集成与应用。二氧化钒纳米线LB膜是顺磁性材料，为开发新型纳米电子自旋材料和器件提供理论依据。循环伏安研究表明二氧化钒纳米线薄膜在LB组装前后的第10次循环效率Q10分别为99%和98%，其循环性能得到很大的提高，在LB组装之前的电流密度扩大四百倍之后才和LB组装之后的电流密度达到同一个数量级，这表明二氧化钒纳米线LB膜的电流密度和比容量比组装之前的二氧化钒纳米线薄膜提高了将近两个数量级，这归因于二氧化钒纳米线单层膜的形成；电输运（I-V）研究表明二氧化钒纳米线LB膜相对于纳米线粉末其电导率提高了将近两个数量级；通过锂离子嵌入/脱出示意图说明了这些性能的提高归因于二氧化钒纳米线LB膜的有序性和晶面择优取向。
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作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 如何对一维纳米材料进行表面功能化处理，解决团聚问题，提高其分散性，并进行择优取向排列和有序组装，是纳米材料科学领域十分重要的研究课题，对纳米材料的器件化和实用化具有重要意义。 本作品对二氧化钒纳米线进行表面修饰，并进行LB组装。通过XRD、SEM、低温磁性能、循环伏安和I-V曲线等分析其结构与性能。同时对二氧化钒纳米线表面修饰机理和择优取向机理进行了探讨。
科学性、先进性及独特之处
- 1、该作品采用CTAB-SA混合表面活性剂对二氧化钒纳米线进行表面修饰，解决其团聚问题，并揭示了基于氢键配位的表面修饰机理； 2、采用LB技术对二氧化钒纳米线进行有序组装，率先实现了纳米线（00L）晶面择优取向，并探讨了表面活性剂对（001）晶面的择优配位效应； 3、二氧化钒纳米线LB膜显示顺磁性，相对于二氧化钒纳米线粉末其电化学性能得到提高，比容量、电流密度和电导率均提高约两个数量级。
应用价值和现实意义
- 作品率先实现了二氧化钒纳米线的LB有序组装。得到(00L)晶面择优取向和局部有序的LB膜, 这对其他一维纳米材料的普遍应用及纳米系统组装、集成与应用起到促进作用；二氧化钒纳米线LB膜为顺磁性，相对于粉末其比容量、电流密度和电导率均提高近两个数量级，为开发新型纳米电子自旋材料和高能电池奠定基础。该研究使二氧化钒纳米线更好地分散、择优取向和性能优化，为相关纳米器件的组装、集成和优化奠定基础。
学术论文摘要
- 用硬脂酸（SA）和十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）对二氧化钒纳米线进行表面修饰，并采用LB技术组装，获得了(00L)晶面择优取向和局部区域有序的LB膜。通过π-A曲线、SEM和XRD, 研究分析了LB组装过程，发现π-A曲线上滞后行为的存在对应于纳米线的筏状排列，纳米线（00L）晶面择优取向归因于表面活性剂对（001）晶面的择优配位效应。低温磁性能研究表明二氧化钒纳米线LB膜显示顺磁性, 循环伏安和电输运研究表明二氧化钒纳米线LB膜相对于二氧化钒纳米线粉末其电化学性能得到提高，比容量、电流密度和电导率均提高约两个数量级。该研究为二氧化钒纳米线高能电池、自旋电子器件的组装、集成和优化奠定了基础。
获奖情况
- 1.参加美国波士顿2008 MRS （材料研究学会）秋季会议(报告题目: Assembly and Property of Vanadium Oxide Nanorod LB film)； 2.论文《Improvement of Electroactivity of VO2 Nanowires through Langmuir-Blodgett Assembly》已在中国科技论文在线发表； 3.湖北省第七届“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛一等奖。
鉴定结果
参考文献
- 1.M.Li, H.Schnablegger, S.Mann, Nature, 402, 393 (1999). 2.P. D. Yang, F. Kim, Chem. Phys. Chem. 3, 503 (2002). 3.D. Whang, S. Jin, Y. Wu and C. M. Lieber, Nano Lett. 3, 1255 (2003). 4.D. Whang, S. Jin and C. M. Lieber, Nano. Lett. 3, 951 (2003). 5.P. D. Yang, Nature 425, 243 (2003).
同类课题研究水平概述
- 一维纳米材料，如纳米管，纳米线等，由于他们独特的结构和优异的物理性能以及潜在的应用价值使其在纳米科学界已经引起了广泛的关注[1-2]。随着对其组成、形貌、尺寸的人为可控，人们希望能对其进行有序可控的组装，从而使其得以充分的展示和应用。如何对一维纳米材料的表面进行功能化处理，解决团聚问题，提高其分散性，并对其进行择优取向排列和有序组装，是纳米材料科学领域十分重要的研究课题，对纳米材料的器件化和实用化具有重要意义。目前存在的一个主要问题就是如何将这些纳米尺寸的结构进行有序组装，进而构筑成为有用的器件和系统[3-4]。 LB技术模仿了自然界运送伐木时的情形，能够将杂乱无序分散在水面上的纳米材料组装成大面积有序的纳米单层膜，并且能被转移到多种基底上，这种能够将金属或半导体一维纳米材料转移到多种基底上的可行性为电子学和光电子学研究指明了新的方向[4]。Yang等[5]首先在一维纳米材料方面使用了LB技术。他们成功地在水面上组装了小长径比的纳米棒，形成了类似于液晶的纹理结构。到目前为止，各种这样的一维纳米结构LB薄膜技术都已经制备，比如C纳米管，Ge纳米线等。尤其是Lieber等，已经运用这种方法从纳米级到毫米级的尺度为沉积物和蚀刻术制作纳米线模板。但到目前为止，尚未见报道有关二氧化钒纳米线LB组装及其组装前后电性能和磁性能变化的研究。因此，本文的主要工作是对二氧化钒纳米线进行了表面修饰和LB组装，并通过各种测试揭示组装前后其相关电性能和磁性能的变化，这对开发新型纳米功能材料和器件具有重要的理论和应用价值，这种方法对其他纳米线，纳米管的普遍应用，以及大范围功能化的纳米系统的组装、关联、集成与应用起到促进作用。 [1]Y. Xia, P. D. Yang, et al., Adv.Mater. 15, 353 (2003). [2]X. Peng, L. Manna, et al., Nature 404, 59 (2000). [3]P. D. Yang, F. Kim, Chem. Phys. Chem. 3, 503 (2002). [4]P. D. Yang, Nature 425, 243 (2003). [5]F. Kim, S. Kwan, et al., J. Am. Chem. Soc. 123, 4386 (2001).
