摘要
一维棒状勃姆石纳米晶体是一种小尺寸、高长径比且高度有序的材料，通常具有高比表面积、高力学强度和隔热阻燃的特点。通过一维棒状纳米晶体间的搭接和粘连，可以形成一类具有纳米孔径的多孔膜和气凝胶材料。与常规纤维搭接形成的微米级多孔材料相比，纳米孔结构的存在能够提升材料的比表面积，并阻碍孔道内部气体的自由运动，从而有效地提升其过滤吸附和隔热阻燃等性能。 本文以勃姆石纳米晶体为研究对象，结合理论与实验方法，探究勃姆石纳米晶体的生长机制及其形貌控制方法，明确各类实验参数在勃姆石纳米晶体生长过程中发挥的作用。这在一定程度上可以改善目前以实验归纳为主的纳米晶体形貌控制方式，对理论和实验两方面均具有一定的意义。 理论研究中，基于第一性原理（first principles）方法，计算了溶液中各种离子在勃姆石纳米晶体表面的吸附自由能变。通过结合双电层理论（ electric double layer theory）的思想，构建了勃姆石纳米晶体表面吸附模型。模拟了不同pH值、生长导向剂种类以及生长导向剂浓度下，不同离子在勃姆石纳米晶体表面的吸附密度。基于模拟结果，预测了对应合成条件下，勃姆石纳米晶体的长径比。研究结果表明，生长导向剂所携带的电荷量和溶液pH值是影响勃姆石纳米晶体定向生长趋势的最主要的因素。当使用醋酸等一元酸作为生长导向剂时，pH值越低，越有利于勃姆石纳米晶体的一维定向生长；当使用硫酸作为生长导向剂时，则更适合在高pH值的条件下合成具有一定长径比的勃姆石纳米晶体。不同种类的一元酸，如醋酸、硝酸和盐酸，以及生长导向剂浓度则是影响勃姆石纳米晶体形貌的次要因素。当使用不足量的生长导向剂时，以醋酸作为生长导向剂，会导致勃姆石纳米晶体长径比较高的pH值区间收紧，而以硫酸作为生长导向剂，则要分情况进行进一步的讨论。 实验中，选用仲丁醇铝作为铝源，硫酸和醋酸分别作为生长导向剂，以NaOH溶液调节pH值，利用两步法水热合成了一维棒状勃姆石纳米晶体。通过分析pH值、生长导向剂种类和生长导向剂浓度对勃姆石纳米晶体形貌的影响，发现生长导向剂的量往往有利于勃姆石纳米晶体长径比的提升，而pH值对勃姆石纳米晶体生长的影响则与生长导向剂的种类有关。当使用醋酸作为生长导向剂时，低pH值能够促进勃姆石纳米晶体的一维定向生长；当使用硫酸时，则可以在较高的pH值合成具有一定长径比的勃姆石纳米晶体。这一实验结论与模拟结果基本相同。生长导向剂浓度对勃姆石纳米晶体生长影响的实验结果，也基本与模拟结果相符，但部分现象仍需做进一步研究。基于上述结论，当使用醋酸作为生长导向剂时，合成了一种具有较高长径比的勃姆石纳米晶体，其单个晶体长度约为250 nm，宽度约为10 nm，长径比达到了25，具有明显的一维生长特征。
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