微波辅助下水热法和溶胶凝胶法制备纳米CeO2及其性能研究

摘要

氧化铈是一种重要且用途广泛的轻稀土氧化物，因其特殊的物理和化学性质常被应用于抛光、催化、紫外吸收剂等材料的制备之中。当氧化铈的粒径达到纳米级后，具有了常规氧化铈不可比拟的材料特性，近年来材料研究工作者对纳米CeO2的制备方法及应用进行了大量的研究，纳米CeO2的制备已成为纳米粉体材料的研究热点之一。纳米CeO2的材料性能与其纯度、大小、形貌、结晶度、分散性、比表面积、粒度分布等物性密切相关，而这些物性又往往取决于纳米CeO2的制备过程。作为不同材料使用时往往对纳米CeO2有着不同的要求，这就对纳米氧化铈的制备提出了不同的要求。本课题在微波辅助制备纳米CeO2以及不同形貌纳米CeO2可控合成方法等方面进行了相关研究。
　　将微波辅助加热与水热反应和均相沉淀法相结合研究了硝酸铈浓度、硝酸铈与尿素摩尔比、水热反应温度、水热反应时间、表面活性剂等对CeO2前驱体形貌和粒径的影响。实验结果表明，在无表面活性剂作用下可以制得晶型完整、粒度均一、分散性好的棒状CeO2前驱体，热分解得到的CeO2仍为棒状。表面活性剂对CeO2前驱体的形貌有较大的影响，不同表面活性剂作用下可以得到不同形貌的CeO2前驱体，柠檬酸作用下可以制得空心球状CeO2前驱体。并考察了柠檬酸用量对空心球状CeO2前驱体的影响，得到了空心球状CeO2前驱体的最佳合成条件。进一步考察了热分解温度和热分解时间对热分解产物形貌和粒度的影响，实验结果表明，在热分解温度1050℃热分解4 h下可以得到一次平均粒径为350nm左右的类球状亚微米CeO2，其粒度分布窄、形貌规则、大小均一可用于制备中高端铈基抛光粉。
　　本文还探究了采用微波辅助溶胶-凝胶法制备纳米氧化铈，对比了水浴加热方式与微波加热方式制得的干凝胶和热分解产物的形貌和性能。实验结果表明，微波模式得到的干凝胶体积膨胀更大，前驱体粉末更疏松，而且热分解得到的纳米氧化铈团聚少、形貌更规则、粒径更小。并进一步研究了硝酸铈与柠檬酸摩尔比、成胶温度、热分解温度、热分解时间对纳米CeO2形貌和粒度的影响。在硝酸铈与柠檬酸摩尔比为1:4、成胶温度为85℃、干凝胶热分解温度为550℃、热分解保温时间为120 min的条件下，可制得平均粒径为20 nm左右、比表面积为84.0229 m2/g、分散性好、形貌规整的纳米CeO2。其粒度分布窄且为球状有孔结构可用于制备铈基催化剂。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 稀土概况及我国稀土资源的分布特点

1.2 CeO2的结构与性质

1.3 CeO2纳米材料的制备方法

1.4 CeO2纳米材料的应用

1.5 微波辅助在合成无机纳米材料中的应用

1.6 本课题研究的意义、创新点及主要研究内容

第二章 实验材料与表征方法

2.1 实验原料和试剂

2.2 实验仪器

2.3 主要实验装置

2.4 纳米材料表征方法

第三章 微波水热法可控合成CeO2的研究

3.1 引言

3.2 实验原理

3.3 实验过程

3.4 前驱体的结果与讨论

3.5 空心球状CeO2前驱体的热分解结果与讨论

3.6 本章小结

第四章 微波辅助溶胶-凝胶法制备纳米CeO2

4.1 引言

4.2 实验原理

4.3 实验过程

4.4 实验结果与讨论

4.5 本章小结

第五章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间的研究成果