[发明专利]一种基于模板外延组装制备纳米晶超结构管或超结构棒的方法

说明书

本发明属于无机材料技术领域，具体涉及一种基于模板外延组装制备纳米晶超结构管或超结构棒的方法，本发明以有机配体分子修饰的阳极氧化铝（AAO）为模板，通过控制组装温度制备碳包覆的有序纳米晶超结构管（或棒）材料的方法。本发明采用溶液法制得单分散的胶体纳米颗粒分散液，将AAO模板进行有机配体分子表面修饰处理后加入胶体纳米晶分散液，通过在一定温度下挥发溶剂得到组装在AAO通道上的纳米晶超结构，将其碳化后用浓碱溶液去除模板就得到了有序的纳米晶超结构管（或棒）材料。该方法具有极好的普适性，改变粒子的种类、形貌、浓度和AAO的孔径均可以得到管或棒状超结构。本发明方法简单新颖，可控性强，原料易得，应用广泛。

技术领域

本发明属于无机材料技术领域，具体涉及一种基于模板外延组装制备纳米晶超结构管或超结构棒的方法，尤其涉及一种基于模板外延法，使用阳极氧化铝（AAO）制备碳包覆的有序管（或棒）状纳米晶超结构的方法。

背景技术

限域组装又叫做模板组装，简单来说就是通过各种方法使纳米晶在一个限定的空间内完成组装过程的方法。首先，同样的纳米晶粒子，当所用的空间发生变化时就会打破它最自然的最密堆积方式，从而带来一些特殊结构的纳米晶超结构，能够进一步拓展纳米晶超结构材料的应用范围。其次，限域空间的改变也会对整个超结构的构型产生明显影响。

外延组装的灵感来源于原子外延生长，简单来说就是在晶体上组装一层与基底材料晶格相匹配的晶层，像在原来的晶体上又往外延伸了一层。2014 年， Dmitri V.Talapin 等人首次系统研究了纳米晶的外延组装，在已经制备成功的纳米晶超晶格表面滴胶体纳米晶溶液，然后经过溶液热处理过程，在纳米晶表面成功制备出了匹配良好的外延纳米晶层状结构。但这种方法不仅要求提前制备好超晶格材料，而且制备出的外延超晶格层产量低，限制了其进一步的发展和应用。而后，Tian 等人利用表面活性剂包覆的纳米颗粒在采用同样表面活性剂的二维材料表面，即纳米晶表面配体分子（CTAB）和二维材料表面配体分子（同样为 CTAB）完全一致、高度匹配，类似于分子外延生长的方式在二维层状材料表面成功组装出了二维纳米晶超结构。然而，该方法存在明显的缺点：首先CTAB修饰后的二维材料更容易自身堆叠，不利于和纳米颗粒进一步组装；其次，结构均一性差；最后，难以制备出超结构管或棒等新型超结构材料。

因此，开发出更为切实有效的方法来制备结构高度有序的新型超结构管（或棒）材料，无论在基础科学研究中还是技术应用上都具有非常重要的理论和现实意义。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于模板外延组装制备纳米晶超结构管或超结构棒的方法，通过对模板的有机配体修饰，加入胶体纳米晶分散液后在一定温度下溶剂挥发诱导纳米晶自组装成有序结构，结合高温碳化碱刻蚀制备出了高度有序的超结构管或超结构棒材料。该方法具有普适性，且简单新颖，操作方便，原料易得。并且制备得到的超结构管或超结构棒材料具有结构均一、有序性好、机械强度好等优异性能。可作为功能材料应用于能量存储与转换、传感、环境保护以及海水淡化等多个技术领域。

具体步骤如下：

（1）胶体纳米颗粒分散液的制备

以油酸的金属化合物、油胺的金属化合物、羰基的金属化合物或乙酰丙酮的金属化合物中任一种为前驱体，以油酸或油胺为配体分子，加入反应溶剂，采用高温溶液法获得单分散纳米颗粒，其单分散纳米颗粒表面由油酸或油胺包覆，将上述纳米颗粒溶于非极性溶剂中，形成稳定的胶体纳米颗粒分散液；

（2）阳极氧化铝模板的表面修饰处理

将初始的阳极氧化铝模板放入到含有有机配体分子的非极性溶剂中，静置0.1-24小时，即得有机配体分子修饰的阳极氧化铝模板；

（3）将步骤（1）所得胶体纳米颗粒分散液和步骤（2）所得的有机配体分子修饰的阳极氧化铝模板混合后静置组装，组装温度为0-100℃，组装时间为0.5-24小时；