晶体自范性和自生成模板法结合生长组装多级纳米结构_谢毅

. 同样 , 也可以利
用晶体自范性特点进行二维片层的合成 , 也就是说 , 具有层状晶体结构的目标产物容易生成片层状纳米 结构 , 在合适的反应过程中片层甚至卷曲形成纳米 管状结构 . 因此 , 晶体生长自范性特点不仅可以用来 合成一维纳米结构单元 , 而且可以拓展到二维纳米 结构的合成 . 比如石墨化的碳结构就是其中一种 . 由 于石墨具有层状结构 , 在晶体结构内部碳原子组成
特 约 评 述
Abstract : A novel w ay to g row and assemble three-dim ensio nal ( 3D) hierarchical nano st ruct ures w as described , w here the combi nati on of t he self-pro duced template m ethodology and the self-limi tatio n prope rties of t he f unctional i no rganic mate rial s cry stal w ere conducted in t he reaction processes .T he w hole reactio n pro cess w as sim ple , cont rollable and wi thout t he com plicated post-t reatment by t he uti lization of this strat eg y . H ere , t he rutile T iO2 3D hollow nano st ruct ures could be achieved wi th a new sim ple chem ical synt het ic met hodo logy . It w as believed that the f orm ation of rutile nanorods is actually t he out w ard em bodiment of t he nat ure o f the ini tial crystal st ruct ure , w hi le the new ly born O 2 gas bubbles 收稿日期 : 2007 -12-26 ; 修回日期 : 2008 -01 - 05
第 38 卷第 6 期 2008年6月
JOURNAL OF UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY OF CHINA
Vol . 38 , No . 6 Jun . 200 8
文章编号 : 0253-2778( 2008) 06 -0569-07
晶体自范性和自生成模板法结合生长组装多级纳米结构
y 作为钛酸纳米结构单元的支撑 , 获得了纳米片组装的钛酸多级纳米 生成模板 T iO x Cl2 -2x ( EN)
结构 . 关键词 : 晶体生长 ; 自范性 ; 自生成模板法 ; 三维多级纳米结构 ; 晶体结构 中图分类号 : O611 . 4 文献标识码 : A
The combination of self-produced template methodology and self-limitation properties of target materials towards three-dimensional hierarchical nanostructures
XIE Yi , DU Yo ng-f ang , XIAO Xia , W U Chang-zheng
( S choo l of Chemi str y and Materi al S ci ence , Univer sit y o f Science an d Technolog y o f Ch ina , H ef ei 230026 , Ch ina)
0 引言
所谓晶体生长的自范性 , 是指一切晶体在生长 过程中 , 只要具备充分的空间条件 , 都能自发地形成 规则的几何多面体的性质 , 是晶体中粒子微观空间 里呈现周期性的有序排列的宏观表象 . 晶体呈现自 范性的条件之一是晶体生长的速率适当 . 在不同的 生长速率下 , 晶体生长得到的产物也不同 . 如玛瑙和 水晶都是二氧化硅 晶体 , 不同 的是 , 玛 瑙是熔融态
[ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ5] [ 3 , 4]
特 SiO2 快速冷却形成的 , 而水晶则是热液缓慢冷却形 约 成的 . 在利用晶体生长的自范性合成一维纳米材料 评 述 方面 , 许多固体材料所具有的生长为一维纳米结构
的习性是受它们晶体结构中的高度各向异性键合情 况所支配的 . 近年来 , 由于利用晶体自范性特点来生 长纳米晶体具有很多相对于其他方法所无法比拟的 优越性 , 已经被广泛应用于无机纳米材料的合成之 中 , 一个代表性的例子是( SN ) x , 科学家们从气相的 ( SN ) x 中很容易生长出直径约 20 纳米 、 长度为几百 微米的纳米线 , 而且易于 聚集成束状 . 由于 ZnO 晶体结晶时各向异性生长比较明显 , 因此利用其晶 体自范性 特点容 易实现 其一 维纳 米结 构的制 备 . Zeng 教授小组提出了一种制备非常均匀 ZnO 纳米 棒( 直径均在 50 nm ) 的简单方法 , 即在含有 Z n 、 OH 的水和乙醇混合溶液中加入乙二胺 , 再水热生 长即可制备 Z nO 一维纳米材料
[ 2] 2+ [ 1]
. 然而 , 到目
前为止 , 利用晶体结构各向异性的特点和其他合成 思路的有机结合来合成三维多级纳米结构还处在摸 索的阶段 . 为了实现用更方便 、可控的方法来生长组装多 级纳米结构材料 , 自生成模板法和晶体生长的自范 性特点结合的合成策略特别值得关注 . 其中 , 可利用 晶体生长自范性的特点生长纳米结构单元 , 而自生 成模板则可作为纳米结构单元组装生长的支撑 , 这 两者在同一反应体系中的协同作用可进行以自生成 模板为排列导向的纳米结构单元生长组装过程 . 这 里 , 自生成模板法是指在反应过程中原位产生模板
谢 毅 , 杜永芳 , 肖 夏 , 吴长征
( 中国科学技术大学化学与材料科学学院 , 安徽合肥 230026)
摘要 : 概述了一种三维纳米结构的组装新方法 , 即结合利用晶体生长自范性特点和自生成模板法合 成三维多级纳米结构 . 该新方法具有方便 、可控和无后处理等优点 . 例如 , 通过金红石相 T iO 2 的链 状晶体结构特点获得其纳米结构单元 , 同时利用反应中的自生成氧气气泡模板作为纳米结构单元 的支撑 , 成功得到了高产率的二氧化钛空心多级纳米结构 . 利用新物相 VOOH 层状晶体结构的特 性来获得片状纳米单元 , 同时利用反应中的氮气模板对纳米结构单元的支撑作用 , 组装得到了这种 新相物质的三维空 “ 蒲公英” 状片层组装结构 . 还利用钛酸 H 2 Ti2 O 5 晶体结构层状的特点并以自
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中国科学技术大学学报
第 38 卷
acted as the suppo rt fo r the co nst ruction of rutile TiO 2 3D hollow nanostructures . F urthermo re , VOOH hollo w “ dandelions” w ere sy nthesized owi ng t o the planar sheet nature of the bui lding blo cks in the newphased VOOH and the in-si tu produced N 2 gas bubbles as t he templates t hat acted as the sheet-like nanouni t ssupport er . Also , tit anat e 3D t ubular hierarchit ect ures w ere successfully prepared undergoing t he self-produced template methodolog y coupled w it h precurso r tem plat ing approach based on the similar st rategy . T he appearance of tit anat e nanof lakes i s actually the o ut w ard em bodiment o f the internal crystal st ructure , w hile the sacri ficed t em plat ing ef fect of the int ermediate precurso r of T iO x Cl2 -2x ( EN ) y is w ell underst ood . Key words : crystal g ro w th ; self-limi tatio n prope rty ;self-produced t emplate st rategy ; t hree-dimensi onal hie ra rchi tectures ; cry st al st ruct ure
第6期
晶体自范性和 自生成模板法结合生长组装多级纳米结构
六方网层 , 且具有层内极强的结合 、 层间巨大的间距 及弱键的特点 . 近年来相应的研究发现石墨化的碳 结构的片层状形貌很容易形成 , 这是跟其晶体结构 对生长方向的导向性紧密相关的 . 纳米组装体系的基本内涵是以纳米颗粒 、纳米 线、 纳米片层和纳米管为基本单元在一维 、 二维和三 维空间组装排列成具有纳米结构的体系 , 其中包括 纳米阵列体系 、薄膜镶嵌体系等等 . 纳米颗粒 、 片层 、 丝、 管有序组装排列而成的多级纳米结构材料不仅 会继承其结构单元的特性 , 还可能具有纳米结构单 元组合产生的耦合效应 、协同效应等 , 也为进一步纳 米器件的设计提供了坚实的基础 . 因此 , 通过方便可 控的策略来实现多级纳米结构的组装与生长是当前 无机化学合成的热门领域之一 . 从这个角度来说 , 利 用晶体生长的自范性特点与其他合成方法相结合的 策略无疑是值得关注的 , 因为利用这种思路来合成 多级纳米结构材料具有反应方法简单 、便宜并且可 控等优点 . 比如利用外加模板法与 Z nO 自身晶体生 长的各向异性特点 , 可以实现纳米棒状结构在外加 的 Zn 颗粒模板周围的定向合成与组装 , 从而能够 得到氧化锌空“ 蒲公英” 状的纳米结构
基金项目 : 国家自然科学基金委创新研究群体科学基金( 20621061) 资助 . 作者简介 : 谢毅( 通讯作者) , 中国科学技术大学化学系 、合肥微尺度物质科学国家实验室教授 , 教育部长 江特聘教授 . 1988 年本科毕业于厦门大学化学系 , 1996 年博 士毕业于中国 科学技术 大学 . 一 直从事无机 纳米材料 的化学合 成 、结构 、物性与理论 的研究 . 1998 年获国 家杰出青 年基金 , 2004 年成为国家自然科学基金委员会“ 无机合成 与纳米化 学” 创 新研究群 体带头人 . 曾获国 家自然科学二等奖( 2001 , 排名第二) , 中国科学院自然科学奖一等奖( 排名第二) , 安徽省自然 科学一等奖( 排名第一) , 中 国青年科 学家奖( 2002) , 中国青 年女科学 家奖( 2006) , 中国 科学 院 -拜耳青年科学家奖( 2003) , 中国科学院优秀研究生指导教师奖( 2005) , 教育部 霍英东青年 教师奖( 2002) , 全国优秀博士学位论文奖( 1999) 等奖励和中国科学院十大女杰称号( 2001) . E - mail : yxie @us tc . edu . cn