基于生长与组装竞争策略的纳米结构精准制备
PrecisionFabricationofNanostructuresBasedontheCompetitionofGrowthandSelf-assembling
作者：倪兵
指导教师：王训
培养院系：化学系
学科：化学
读博感言：自强不息，厚德载物
研究背景/选题意义/研究价值材料制备水平一定程度上决定了材料的性质和使用范围，得益于合成技术的快速发展，纳米材料的相关研究也正在蓬勃发展。在催化、能源、环境等一些热点领域中,尽管目前已经有大量不同物质、不同形貌的纳米结构被制备出来，高质量纳米晶的制备仍是应用中卡脖子的核心问题。本质上决定产物形貌、结构的因素为热力学和动力学这两个方面，然而实际实验中往往引入了太多参数、变量，造成不可能从热力学和动力学这两种最基本原理出发预测材料结构，实现精准合成。本论文分析、总结大量实验现象之后，认为材料制备过程中生长与组装这两个基本过程的竞争作用对于形成最终形貌具有重要影响。因此本论文开展了一系列针对性探索，尝试理解生长与组装之间关系，基于生长与组装之间的竞争关系实现纳米结构的精准制备。
主要研究内容为了减少变量，本论文尽可能地简化合成体系，只加入必要的前驱体和溶剂。首先采用经典生长理论，成功利用生长过程制备了螺旋纳米片；随后在生长过程中引入组装，利用生长与组装的协同作用，以及亚纳米结构自身柔性的特点，成功制备了多种无机单壁纳米管；将生长与组装分开，又精准地制备了介晶体；利用纳米颗粒的类表面活性剂组装，还可以制备多壁纳米管等结构；深入分析实验结果表明纳米颗粒表面配体覆盖度是一锅法合成中切换体系组装与生长的关键因素，表面配体覆盖度可以通过良溶剂-不良溶剂体系、前驱体浓度等形式进行调节。对于生长和组装关系的认识，可以促进对于生长机理的理解，从而有助于精准制备不同的纳米结构。
本论文还分析了电化学的基本过程，提出了优化电化学性质的一些通用策略，并进一步利用这些精准制备的纳米材料在电化学产氧催化中的应用，验证了策略的有效性。
良溶剂中（GS）材料倾向于生长，而不良溶剂中（PS）材料倾向于组装，他们之间的切换原因可以主要归因于纳米颗粒表面配体覆盖度的调节。
从电化学简化模型可得出：催化剂的导电性、催化活性位点的数量或浓度、活性中心的本征活性以及体系的传质对电化学性质的提升具有重要作用。
主要创新点1.利用经典生长理论制备了螺旋片，随后在螺旋片生长的体系中引入合适的组装条件，利用亚纳米线的柔性，卷曲组装成为螺旋结构，并引发纳米管生长，实现了多种单壁纳米管的制备。
2.将生长与组装分开，先制备了大量小颗粒，随后利用这些小颗粒作为初级基元进行反应，逐渐自组装形成介晶体中的棒状基元，最终演化成为介晶体。
3.设计了无特殊表面活性剂下调控生长与组装的实验，发现小颗粒表面的配体覆盖度对于生长与组装的调控。
4.从电化学的简化模型出发，提出了优化电化学性质的四个方面，并在不同的体系中验证了这些策略。
代表性创新成果[1]BingNi,HuilingLiu,Peng-pengWang,JieHe,XunWang*,Nat.Commun.,,6,
[2]BingNi,ChenOuyang,XiaobinXu,JingZhuangandXunWang*,Adv.Mater.,,29,
[3]BingNi,YuangShi,XunWang*,Adv.Mater.,,30,
[4]BingNi,KaiWang,TingHe,YueGong,LinGu,JingZhuang,XunWang*,Adv.EnergyMater.,,8,
[5]BingNi,XunWang*,Adv.Sci.,,2,
[6]BingNi,TingHe,Jia-ouWang,SiminZhang,ChenOuyang,YongLong,JingZhuangandXunWang*,Chem.Sci.,,9,-
[7]BingNi,XunWang*,Chem.Sci.,,7,-
[8]BingNi,XunWang*,Chem.Sci.,,6,-
[9]BingNi,PengHe,WenxinLiao,ShuangmingChen,LinGu,YueGong,KaiWang,JingZhuang,LiSong,GangZhou*andXunWang*,Small,,14,
[10]BingNi,XunWang*,CrystEngComm,,17,-
作者：倪兵图片：倪兵编辑：清华大学研究生院吴佳瑛李文转载须经作者同意授权
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