铌酸钾钠基微纳米线的固相异常生长现象、机理及可控制备技术研究

Piezoelectric nano-materials have attracted great attention and have been widely reported by Science and Advance Materials, owing to its potential applications in the fields of nano-generator, Terahertz communication and biomedical sensors and so on. Among all nano-piezoelectric materials, potassium sodium niobate system has excellent comprehensive properties including high piezoelectric constant, high electromechanical coupling coefficient and high Curie temperature. Moreover its constituents are friendly to the human beings, which is especially important for the biological medical equipments implanted into the body. In this project, we will conduct studies on the mechanism of the observed new abnormal growth phenomenon of potassium sodium niobate mirco-nano wires. A new growth theory of potassium sodium niobate mirco-nano wires will be explored. In addition, we will investigate the relationship between the composition, structure, crystal orientation, alignement and piezoelectric properties of potassium sodium niobate mirco-nano wires. New methods and processes of the controllable growth of wires will also be acquired. Based on the above studies, the large-area growth and arrays formation technologies can be developed， which will improve the preparation and application of relative micro-nano devices.

将具有压电效应的纳米压电材料应用于纳米发电机、太赫兹通信、生物医学传感器等领域具有广阔前景，正引起国际上极大的关注，近期《Science》、《Advance Materials》等杂志给予了专门报道。铌酸钾钠基压电材料具有优异的综合性能，如高的压电系数、机电耦合系数和居里温度，且组成元素对人类友好等，在上述应用领域更具优势。因此，关于铌酸钾钠微纳米材料的研制具有重要的理论意义和应用前景。本课题一方面针对铌酸钾钠微纳米线异常生长这一新现象着力开展它的生长规律、结构形成与机理研究，建立铌酸钾钠微纳米线异常生长新理论，为制备铌酸钾钠微纳米线提供新的思路；另一方面，在揭示异常生长机理和规律的基础上，开展铌酸钾钠微纳米线的成分、结构、晶向、排列和压电性能的关系研究，探索该微纳米线的可控生长新方法和工艺；在此基础上，进一步探索铌酸钾钠基微纳米线大面积生长和阵列形成技术，促进相关微纳米器件的制备与应用。

碱金属铌酸盐材料在压电、铁电、电光、光催化领域有着重要的应用，被广泛用于电子器件、敏感器件、生物器件、纳米化学等等。纳米技术在生活、医学、国防等各个领域也有着广泛的应用前景。本项目在发现“碱金属铌酸盐微纳米线异常生长”现象的基础上，针对碱金属铌酸盐微纳米线异常生长这一新现象着力开展了它的生长规律、结构与机理研究，初步建立了碱金属铌酸盐微纳米线异常的“类植物”生长理论机制模型，为制备碱金属铌酸盐微纳米线提供了一条新的思路；在揭示“类植物”生长机理和规律的基础上，开展了微纳米线的成分、结构和性能的研究，对该微纳米线的光催化、储能和介电等性能进行了探索，例如，采用铌酸盐微纳米线作为催化剂，可见光下催化降解亚甲基蓝溶液2小时左右的降解率接近100%；探索了铌酸盐微纳米线的可控生长新方法和工艺，开展了碱金属铌酸盐微纳米线的多相结构双向调控研究，即晶体结构由钨青铜结构和钙钛矿结构之间双向转化研究。在上述基础上，进一步对微纳米线的大面积生长和阵列形成技术进行了有益的探索。目前，从研究报道来看，针对碱金属铌酸盐微纳米线的制备方法主要有模板生长法、水热法、溶胶-凝胶法、熔盐法和静电纺丝法等。虽然每种方法各有优点，但也各自存在一些问题。本项目首次采用固相法制备铌酸盐微纳米线，在不需要额外提供气相、异质模板和催化剂的条件下，实现微纳米线的可控生长，使合成的微纳米线直接从同组分基体中生长，不引入外界杂质，实现产物的纯洁，微纳米线的长度特别长。目前生长的微纳米线的长度已达2cm以上。采用本项目发明的方法合成碱金属铌酸盐微纳米线后，将可能赋予它新的特性或功能，从而拓展碱金属铌酸盐微纳米线材料的应用范畴，因此预期具有广阔的应用前景。此外，在本项目的资助下，也进行了一些其它相关的研究工作，如铌酸钾钠基透明陶瓷材料和二维纳米材料Ti3C2Tx-MXene的制备，对它们的结构和性能进行了深入研究。