室温离子液体中纳米材料超声制备的机理研究

超声空化所引发的物理和化学环境为纳米材料的制备提供了重要途径。空化的物理和化学效应强烈地依赖于空化泡内的气体组分，因此溶剂的选择显得尤为重要。具有非挥发性或"零"蒸气压的室温离子液体在纳米材料制备中有许多优点，是超声反应的新型绿色溶剂。目前对离子液体空化特性的研究还不多，关于离子液体中纳米材料超声制备的基础性研究也很少见。我们拟对典型的离子液体进行研究，通过实验间接测定声场条件、环境温度和气氛与空化温度和压力的关系；建立离子液体空化泡运动的动力学模型，对影响超声空化的物理参数以及声场参数进行数值模拟，初步揭示离子液体的空化特性。在此基础上采用超声技术制备代表性的金属、半导体和镧系配合物纳米材料。研究和明确离子液体的空化特性对纳米材料结构生成的作用途径。项目的开展对探明离子液体的空化特性，明确纳米材料的超声制备机理和开发新型的纳米材料制备技术都有着重要意义。

超声辐照引发的物理和化学环境为纳米材料的制备提供了重要途径。室温离子液体是近年来兴起的绿色溶剂, 室温离子液体作为一种有机盐类具有非挥发性或“零”蒸气压。将超声辐照和离子液体相接合，在纳米材料制备中具有简便、高效和绿色等优势，有着良好的应用前景。我们开展室温离子液体的空化特性研究，基于气泡壁Rayleigh-Plesset运动方程，对离子液体的物理参数以及空化声场参数进行数值模拟，建立了离子液体空化泡运动的动力学模型。 结果表明与传统溶剂不同，离子特体空化泡内温度和压力随环境温度升高而明显上升。采用甲基自由基复合法对离子液体的空化温度进行了间接实测，结果表明离子液体的空化温度不随超声时间的延长而降低，并随环境温度升高略有上升。产生这一独特现象的原因是随环境温度升高，离子液体的粘度急剧下降，同时当环境温度升高时，离子液体的蒸汽压仍趋于零。离子液体这一空化特性有望突破超声化学反应中“温度上限”的限制。进一步选取适宜的超声技术制备代表性纳米材料。在室温离子液体溶剂中我们系统地开展了氧化锌、二氧化钛纳米材料和稀土配合物掺杂二氧化硅凝胶的超声制备和结构性能研究，同时在其他典型溶剂中如三甘醇，二乙醇胺和乙醇中开展了对比实验研究，结合声场条件和溶剂的空化特性，研究超声制备机理并提出可能的反应模型。研究结果表明纳米产物的形貌和性能与超声辐照和离子液体的共同作用密不可分。在室温离子液体、三甘醇和二乙醇氨溶剂中成功制备了稀土离子，镉离子及镁离子掺杂的纳米氧化锌材料，首次实现以离子液体为溶剂掺杂氧化锌纳米材料的制备。突破了常规合成中因热力学平衡导致的高浓度掺杂时相分离的局限，对新型纳米功能材料的合成具有重要意义。其中锌和镉离子的掺杂可有效地调控氧化锌纳米材料能隙和发光性质，而稀土离子掺杂获得了基于氧化锌能量传递的铕离子发光。利用超声溶胶法在室温下制备二氧化钛纳米材料。以室温离子液体为溶剂实现了稀土离子掺杂的金红石相二氧化钛纳米晶，发现了经由二氧化钛吸收导致的稀土发光，避免了用常规热处理法获得金红石样品时稀土的分相。项目的开展阐明了离子液体的空化特性，对纳米材料的超声制备机理和开发新型的纳米制备技术都有着重要意义。上述工作，申请人作为第一或通讯作者在《中国科学》G辑和CrystEngComm（影响因子3.89）等期刊发表SCI论文五篇，EI论文四篇，ISTP论文三篇。