Bi4Ti3O12纳米片和Bi12TiO20微纳结构的水热合成及其光致发光性能研究

摘要

鉴于纳米片状结构的铁电材料在高密度非易失性存储器方面的重大应用价值以及多元复合金属氧化物在高效利用可见光降解有机污染物上的重大应用前景，本文在综述了铋层类钙钛矿Bi4Ti3O12和软铋矿Bi12TiO20的结构和性能，及其纳米材料研究现状的基础上，通过选择前躯体原料和引入PVA表面修饰剂，研究了Bi4Ti3O12纳米片的水热合成及光致发光性能，并对Bi12TiO20纳米球和微米片的水热合成进行了探索，取得了以下主要成果:
　　(1)以柠檬酸铋铵为Bi源，借助伴随其引入的[(NH3)2C6H7O7]3-有机酸根离子与(010)晶面的Bi3+离子的结合，抑制生长基元在(010)晶面的沉积，实现了正交晶系的铋层类钙钛矿Bi4Ti3O12沿(010)晶面的生长，获得了厚度约为60～100nm、二维尺寸可达数微米的Bi4Ti3O12的纳米片。由于[(NH3)2C6H7O7]3-有机酸根离子的吸附产生的表面缺陷，所合成的Bi4Ti3O12的纳米片经374nm波长的激光激发，在407-457nm波长范围内，呈现出很强的光致发光性能。
　　(2)利用KOH为沉淀剂制备的钛羟基氧化物沉淀为钛源，促进了水热反应初期层状钛酸盐K2Ti6O13纳米纤维的形成，借助Bi3+离子取代K2Ti6O13结构中TiO6八面体层间的K+离子，导致TiO6八面体层的剥离，与Bi3+离子结合形成Bi4Ti3O12片状团簇，在PVA的辅助下，实现了厚度小于20nm、二维尺度大于2-6微米的Bi4Ti3O12铁电单晶纳米片的合成。PVA辅助合成的Bi4Ti3O12的纳米片紫外可见光吸收边红移，光学带隙略有减小，经281nm波长激光激发，在325-335nm波长范围内，呈现出优异的光致发光性能。
　　(3)以柠檬酸铋铵(C6H10BiNO8)作为铋源，借助伴随柠檬酸铋铵引入的[(NH3)2C6H7O7]3-有机酸根离子与Bi12TiO20表面的Bi3+离子的结合，限制了晶粒的长大，实现了软铋矿结构Bi12TiO20多晶纳米球的合成。水热反应中以五水硝酸铋(Bi(NO3)3·5H2O)和钛酸四丁酯Ti(C4H9O)为原料，KOH为矿化剂，在PVA的辅助作用下，成功实现了软铋矿结构Bi12TiO20微米片的合成。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 铁电纳米结构材料及其在非易失性存储上的应用

1．2．1 铁电非易失性存储原理

1．2．2 零维纳米铁电材料

1．2．3 一维纳米铁电材料

1．2．4 二维纳米铁电材料

1．3 Bi4Ti3O12的结构、性能及其纳米结构材料研究现状

1．3．1 钛酸铋Bi4Ti3O12晶体结构

1．3．2 钛酸铋Bi4Ti3O12材料的性能

1．3．3 钛酸铋Bi4Ti3O12纳米材料的研究现状

1．4 Bi12TiO20的结构、性能及其纳米结构材料研究现状

1．5 常用纳米结构材料制备方法

1．6 本课题的研究思路和主要研究内容

第二章 样品制备与测试

2．1 实验原理与方法

2．2 实验原料和主要设备

2．2．1 实验原料

2．2．2 实验设备

2．3 样品制备

2．3．1 以Bi(NH3)2C6H7O7为铋源水热合成Bi4Ti3O12二维纳米结构

2．3．2 PVA辅助水热合成Bi4Ti3O12微米棒以及纳米片状结构

2．3．3 软铋矿结构Bi12TiO20微米片的水热制备

2．3．4 软铋矿结构Bi12TiO20微米球的水热制备

2．4 测试技术

2．4．1 X射线衍射(XRD)

2．4．2 透射电子显微镜(TEM／HRTEM)

2．4．3 场发射扫描电镜(FESEM)和电子探针能量色散谱(EDS)

2．4．4 紫外、可见分光光度计(UV-VIS)

2．4．5 光致发光光谱分析(PL)

第三章 以Bi(NH3)2C6H7O7为铋源水热合成Bi4Ti3O12纳米片及其光致发光性能的研究

3．1 Bi4Ti3O12片状结构的水热合成及表征

3．2 反应温度对Bi4Ti3O12纳米片水热合成的影响

3．3 反应时间对Bi4Ti3O12纳米片水热合成的影响

3．4 Bi4Ti3O12纳米片的形成机理

3．5 Bi4Ti3O12片状结构的光致发光性能

3．6 本章小结

第四章 PVA辅助水热合成Bi4Ti3O12纳米片及其对光致发光性能的影响

4．1 Bi4Ti3O12纳米片水热合成及表征

4．2 PVA浓度对水热合成Bi4Ti3O12单晶纳米片的影响

4．3 反应时间对水热合成Bi4Ti3O12单晶纳米片的影响

4．4 Bi4Ti3O12单晶纳米片的生长机理

4．5 Bi4Ti3O12微米棒以及纳米片的光致发光性能

4．6 本章小结

第五章 软铋矿钛酸铋Bi12TiO20微纳结构的水热合成及表征

5．1 以Bi(NH3)2C6H7O7为铋前驱体水热合成Bi12TiO20纳米球及其表征

5．1．1 Bi12TiO20微米球的表征

5．1．2 水热处理时间对Bi12TiO20微米球的形成及形貌的影响

5．1．3 矿化剂KOH浓度对Bi12TiO20微米球的形成及形貌的影响

5．2 PVA辅助水热合成Bi12TiO20微米片的水热合成与表征

5．2．1 Bi12TiO20微米片的表征

5．2．2 修饰剂PVA浓度对Bi12TiO20微米片的形成及形貌的影响

5．2．3 矿化剂KOH浓度对Bi12TiO20微米片的形成及形貌的影响

5．3 本章小结

第六章 结论

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文与取得的其它研究成果