二氧化铈基空心球的制备、表征及功能化应用

摘要

二氧化铈，作为一种重要的稀土氧化物，有着优越的储氧性能和氧化还原能力（Ce3+与 Ce4+之间），因而在近几十年来被广泛应用于催化、燃料电池、传感器和光致发光等重要领域。材料学家制备出了各种不同形貌的纳米二氧化铈和二氧化铈基材料，这其中包括纳米棒、纳米线、纳米管、纳米球和纳米空心球等等。在这些不同形貌的材料中，纳米空心球因其大比表面积，低密度和高孔隙率而受到了特别的关注。因此，本论文以二氧化铈和二氧化铈基复合氧化物空心球的制备、表征及应用作为研究对象，并进行了一些基本的原理分析和设计。主要研究内容和结果如下所示：
　　以St?ber法制备出的胶体SiO2为硬模板，NaOH为刻蚀剂，成功制备出了单分散良好的二氧化铈空心球。通过调整铈盐的浓度可以方便地调控空心球壳层的厚度及孔结构。在上述实验的基础上发现，通过选择合适的沉淀剂和调整沉淀剂的浓度，可简化空心球的制备工艺，即将二氧化铈壳层的包裹及胶体二氧化硅的刻蚀合为一步，省去后续单独的刻蚀环节，先前还未见有类似的报道。
　　以水热制备的胶体碳球为牺牲模板，借助回流装置成功制备出了单分散良好的CeO2–CuOx复合氧化物空心球。其中，空心球的壳层厚度约为40nm，由10-15nm的纳米颗粒组装而成。更重要的是，作为活性中心的 CuOx主要以高分散态存在于二氧化铈基体的表面。CeO2–CuOx复合氧化物空心球具有良好的催化活性和循环稳定性。在106℃的低温下可成功实现CO的完全转化，经过五次催化循环后催化活性没有出现明显衰减，仍然能够在125℃下实现CO的完全转化。这一催化性能优于大部分当前所报道的同体系材料。
　　在上一部分的基础上，本研究以胶体碳球为牺牲模板，设计了一种极其巧妙的方法来制备双壳结构 MnO2@CeO2?MnO2二元氧化物空心球。制备过程分为三步：首先通过自组装法制备核壳结构CSs@CeO2前驱体；该前驱体能与KMnO4溶液发生反应，并形成蛋黄-蛋壳结构的CSs@MnO2/CeO2-MnO2微球；最后将样品在空气中煅烧就得到了双壳结构MnO2@CeO2?MnO2二元氧化物空心球。该空心球具有良好的催化活性，在206℃可实现CO的完全转化，远优于纯MnO2和CeO2的催化活性。更重要的是，此种制备工艺具有普适性，为证明这一点，本研究以相同的方法成功制备出了Co-Mn复合氧化物空心球。

目录

声明

第1章 绪论

1.1纳米材料概述

1.2纳米中空结构材料的优势

1.3二氧化铈结构及性质

1.4纳米二氧化铈及二氧化铈基复合氧化物的应用

1.5纳米空心球的制备方法

1.6本论文工作的意义、研究内容和创新之处

第2章CeO2空心球的制备及结构调控

2.1引言

2.2实验部分

2.3结果与讨论

2.4 CeO2空心球的形成机理

2.5 SiO2为模板一步法制备CeO2空心球

2.6本章小结

第3章CeO2-CuOx复合氧化物空心球的制备及催化性能研究

3.1 引言

3.2 Ce-Cu复合氧化物空心球的设计理念

3.3实验

3.4分析与表征

3.5 CeO2-CuOx复合氧化物空心球的催化性能

3.6本章小结

第4章 双壳结构MnO2/CeO2-MnO2空心球的设计、制备及应用

4.1引言

4.2 实验部分

4.3空心球的制备原理

4.4形貌表征

4.5 蛋黄-蛋壳结构微球的形成过程

4.7催化应用

4.8 普适性分析

4.9 本章小结

总结

致谢

参考文献

附录