α-氢氧化镍纳米线和氧化镍纳米颗粒的高压相变研究

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由于氢氧化镍独特的结构和物理性质,在物理、化学和工程领域具有许多实际应用。最初氢氧化镍的研究主要在电池技术中的电极材料和化学腐蚀两方面。如今,镍基电池无处不在,氢氧化镍在现代电池技术中的应用已经非常成熟。氢氧化镍也不再局限于研究电池和化学腐蚀,它们在现实中有众多的实际应用,这些应用包括电化学传感器,光催化,电催化,超级电容器,电致变色器件等。高压是调节晶体结构从而改变电子和光学性质的一个有效的手段。氢氧化镍在环境条件下的研究已经十分广泛,利用高压手段对其进行研究有助于发现新现象和新性质。本文中通过水热合成出的paraotwayite型α-Ni(OH)2纳米线属于天然含水矿物的一种。在地球物理和地球化学方面,含水矿物的高压研究可以为理解各种地球物理现象和发现地幔中更复杂的含水矿物提供有价值的信息。然而目前还没有过关于α-Ni(OH)2高压研究的相关报道。纳米材料的α-Ni(OH)2在高压下的结构相变规律尚不清楚。因此,含水矿物α-Ni(OH)2在高压下的研究将有助于理解此类材料在地幔中的存在形态。此外,NiO作为一种典型的强关联电子材料,其纳米材料在高压下的相变行为对认识纳米尺寸效应对强关联体系结构和物性的影响具有重要指导意义,相关研究也未见报道。本篇论文的主要的工作是利用高压原位同步辐射X射线衍射(XRD)、原位高压拉曼光谱(Raman)、原位紫外-可见光光谱(UV-visible)等高压科学技术手段对α-Ni(OH)2纳米线及NiO纳米颗粒进行高压结构相变研究。旨在探索α-Ni(OH)2纳米线在高压下的结构相变,理解α-Ni(OH)2的高压相变机制;与前人对体材料NiO的高压研究做对比,探究纳米尺寸效应对NiO高压下相变行为的影响,丰富人们对NiO材料的认识。本论文研究结果如下:1.利用水热合成法合成实验样品,对其使用透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射(XRD)、拉曼光谱系统、红外光谱等进行常压表征。实验结果显示我们合成出高质量的长度达到几微米,直径在15-20 nm范围内的单斜相的paraotwayite型α-Ni(OH)2纳米线。2.对单斜相的α-Ni(OH)2纳米线进行了高压同步辐射XRD研究,发现其在6.3-9.3 GPa晶格参数和晶胞体积随压力变化的斜率发生突变,而晶体的整体对称性直到21 GPa没有发生变化,表明晶体在6.3-9.3 GPa发生了等结构相变。低压相和高压相的体弹模量分别为41.2(4.2)GPa和94.4(5.6)GPa。这与β-Ni(OH)2在高压下没有相变显然不同。3.对α-Ni(OH)2进行了原位高压拉曼光谱研究,发现羟基的伸缩振动拉曼峰随着压力的增加峰强减弱并宽化,并在7.89.2 GPa之间消失。这表明α-Ni(OH)2层间H亚晶格在压力作用下发生了无序化。这与水镁石型氢氧化物的高压相变行为相一致。我们认为这种H亚晶格的无序化诱导了α-Ni(OH)2纳米线的等结构相变。当压力释放时,所有拉曼峰恢复,表明H亚晶格的非晶化是可逆过程。4.对NiO纳米颗粒进行原位高压拉曼光谱研究,发现NiO纳米颗粒由于缺陷和表面态的存在,其拉曼信号与体材料有显著不同。在30 GPa的压力范围内,没有相变发生。这与NiO体材料的高压行为相一致。
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