纳米材料的结构很大程度上影响其物理化学性质,因此,纳米结构的几何形态、理化属性从根本上决定了其实际应用领域。在原子和分子的尺度,以纳米线等一维纳米结构为基本结构单元,去制造具有特殊功能的结构具有非常重要的意义。将单个纳米结构单元组装成有序阵列,这样,纳米阵列表现出来的性质不仅能反映出单个纳米结构所具有的性质,而且还可以反映纳米阵列的协同效应,满足纳米器件设计要求。二氧化锡(SnO2)材料作为优秀的气敏材料、锂离子电池电极材料,被广泛研究并应用在相关领域。文章选择纳米一维结构Sn02为研究对象,选择不同形式的二维基底(如石墨烯、SnO2、金属及碳纤维等),合成了不同形貌的三维的阵列结构。通过控制水热合成条件、并对产物进行性能测试及分析,对SnO2纳米阵列结构的组装机理展开研究。所制备的各种基底及形貌的SnO2纳米棒阵列结构被用于气体探测、锂离子电池负极材料等领域,获得了良好的应用结果。本文主要包括以下研究成果：1.首次利用纳米晶种导向的水热方法合成了高度有序排列的SnO2纳米棒在石墨烯基底上形成三维阵列结构。通过不同的实验条件,即改变晶种溶液浓度和烧结温度,使这些几乎垂直生长于纳米棒的直径和密度得以调控。在这些实验结果的基础上,提出了这种晶种导向水热法纳米棒生长的机理：SnCl4在水溶液中水解,以石墨烯为基底形成SnO2晶种,在随后的水热生长过程中SnO2晶体沿[001]晶向形成垂直于石墨烯基底的纳米棒阵列。最后,测试了这种材料的气敏性质、光致发光和锂离子电池电极性能。石墨烯基底阵列结构与在同等条件下合成的SnO2纳米棒组成的花状纳米结构相比,获得增强的气敏性能。通过调控实验条件,获得了直径和分布适当的纳米棒的阵列结构,并且在气敏测试过程中呈现对还原性气体的极大增强,其对H2S气体呈现出两倍于花状SnO2结构的敏感强度。究其原因,这种改变应归因于石墨烯优秀的电学性能与阵列的结构优势的双重因素。2.首次利用水热方法合成了一种自基底的SnO2纳米棒阵列,即SnO2多晶平面作为基底,一维SnO2纳米棒自组装成为阵列的纳米结构。通过系统的实验调控过程,探索了合成这种新型纳米阵列结构最佳形貌的反应条件。依据化学反应和晶体结构特性,解释了自基底SnO2纳米棒阵列的最佳生长条件及生长机理：首先在十二烷基硫酸钠(SDS)辅助下,油相中存在的水滴形成反相胶束。水相中Sn4+水解形成Sn(OH)62-,附着于两相界面。在随后的水热反应中,高温高压使胶束破裂,SnO2纳米晶片状基底形成。经奥斯特瓦尔德熟化,SnO2沿一定晶体学方向生长形成自基底的SnO2纳米棒阵列结构。对这种自基底SnO2纳米棒阵列结构的性能测试结果表明了其优异的气体—电阻响应性能和作为锂离子电池负极的较大比电容量、循环稳定性能。最后指出这种新型阵列结构在场致发射微电子器件、超级电容器、太阳能电池等方面也将具有广阔的应用前景。3.成功实现了在金属铜、镍、及碳纤维材料基底上生长SnO2纳米棒阵列,发展了在不同基底材料上生长SnO2纳米棒阵列的简单、通用的水热合成方法。在铜片基底上,生长了大面积的“树枝状”分等级的SnO2纳米棒阵列。在具有很大表面的镍网基底上,形成了大规模垂直于镍金属表面的SnO2纳米棒阵列。而在碳纤维的表面,纳米棒形成大面积的阵列结构。依据化学反应和晶体结构特性的不同,探索了在各种基底上生长SnO2纳米阵列结构的形成机理。同时指出了每一种基底上SnO2纳米阵列结构的潜在应用方向。
