稀土掺杂3D多层次结构氧化铈的形貌控制及其光催化性能的研究

摘要

稀土元素铈的4f轨道中未成对电子可以与大多数元素反应形成多配位多化合价态的化合物因而使铈元素具有优良的光学、磁学以及电学性能。二氧化铈作为稀土氧化物中最常的一种氧化物已越来越多地引起的研究者的兴趣，这主要是由于二氧化铈有着优异的氧化还原的能力、氧的释放和吸收能力（通过Ce3+和Ce4+不同价态之间的相互转换来实现）以及光催化氧化和光催化还原的能力。本文利用一步水热合成方法制备了具有多孔的扫把型、刺猬型（多面体+纳米棒复合结构）以及中空球形三维多层次结构的氧化铈，通过实验条件改变达到了形貌可调控目的。利用扫描电镜、高分辩透射电镜等手段观察分析样品的形貌，并在此基础上提出了水热合成三维多层次结构形成的机理为晶体成核与奥斯特瓦尔德熟化过程中共同作用的理论。通过拉曼光谱、X射线衍射、紫外可见光谱以及X射线光电能谱仪等表征手段对制备产物进行了结构分析，建立了形貌与结构之间的联系。最终利用程序升温氢气还原、氧气吸脱附以及乙醛光催化降解实验研究了不同形貌之间的光催化性能的差异，分析了不同形貌、结构与光催化性能之间的联系。本论文主要开工作有以下四个方面:
　　第一，以六水合硝酸铈(cerium nitrate hexahydrate(Ce(NO3)3·6H2O))为铈源，利用二水合柠檬酸三钠(Dihydrate trisodium citrate(C6H5Na3O7·2H2O))为形貌控制剂，通过水热合成的方法，一步来合成具有扫把型多孔的多层次结构形貌的氧化铈。通过研究水热反应温度、水热反应时间、不同原料的配比实验得到最佳的合成条件。通过得水热反应过程中各种实验条件研究，总结出各实验参数对最终形貌的影响规律，提出多孔扫把型氧化铈形貌形成的机理。最终利用程序升温还原氢气实验，乙醛光催化降解实验来测试多孔扫把型氧化铈的光催化性能。
　　第二，根据光催化性提升的需求，在第一章节的前提下，通过对多孔的扫把型氧化铈进行稀土掺杂。利用六水合硝酸钇(yttrium nitrate hexahydrate(Y(NO3)3·6H2O))作为掺杂剂对掺杂的过程，掺杂的晶体结构进行了详细的分析，得出掺杂是否成功的检测依据，掺杂前后结构上特性的变化情况。通过程序升温还原氢气实验，程序升温氧气释放实验，乙醛光催化降解实验系统的实验来得到最优化的掺杂比例，并对掺杂后光催化性的提升的可能性因素作出合理解释。
　　第三，在水热合成工艺成熟的基础上，通过改变不同原料来得到其他多层次结构的氧化铈光催化剂。利用原料六水合硝酸铈为铈源，掺杂剂硝酸钇和形貌修饰剂Na3PO4，并通过改变不同的原料配比，不同的反应温度以及不同的反应时间改变来合成刺猬型（纳米棒+八面体复合结构）氧化铈最优化的合成的工艺。通过对光催化活性评价机制研究找到光催化活性提升的主要影响因素，提出氧化铈基光催化材料的光催化机理。
　　第四、利用模板法来制备具有中空结构的球形氧化铈。以硝酸铈为铈源，掺杂剂硝酸钇作为掺杂剂，以聚苯乙烯微球(polystyrene:PS)为软模板合成了中空球形氧化铈。并研究了最佳的合成工艺。通过对光催化活性评价机制研究提出了稀土掺杂的氧化铈性能提升可能性的光催化机理。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 概述

1．2 二氧化铈的结构特性

1．3 二氧化铈的形貌控制合成机理

1．4 纳米二氧化铈的合成方法

1．4．1 沉淀法

1．4．2 水热／溶剂热法

1．4．3 依附捕捉剂定向生长法

1．4．4 模板法

1．4．5 电化学沉积方法

1．4．6 微波以及超声波辅助方法

1．5 纳米二氧化铈的光催化性能

1．5．1 二氧化铈光催化反应机理

1．5．2 二氧化铈光催化性能的影响因素

1．5．3 二氧化铈光催化活性提升方法

1．6 论文的主要研究内容

1．7 论文的创新点

参考文献

第二章 扫把型二氧化铈的形貌控制及其光催化性能的研究

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 试剂

2．2．2 多孔扫描型二氧化铈制备

2．2．3 结构测试

2．2．4 催化活性测试

2．3 结果与讨论

2．3．1 形貌分析

2．3．2 X射线衍射分析

2．3．3 拉曼光谱分析

2．3．4 紫外可见光谱分析

2．3．5 X射线光电子能谱分析

2．3．6 形成机理分析

2．3．7 H2-TPR催化性能分析

2．4 本章小结

参考文献

第三章 钇掺杂扫把型二氧化铈的形貌控制及其光催化性能的研究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 试剂

3．2．2 钇掺杂多孔扫描型二氧化铈制备

3．2．3 结构测试

3．2．4 光催化活性测试

3．3 结果与讨论

3．3．1 形貌分析

3．3．2 X射线衍射分析

3．3．3 拉曼光谱分析

3．3．4 X射线光电子能谱分析

3．3．5 光催化性能研究

3．4 本章小结

参考文献

第四章 钇掺杂刺猬型二氧化铈的形貌控制及其光催化性能的研究

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 试剂来源

4．2．3 结构测试

4．2．4 光催化活性测试

4．3 结果与讨论

4．3．1 形貌分析

4．3．2 X射线衍射分析

4．3．3 拉曼光谱分析

4．3．4 X射线光电子能谱分析

3．3．5 紫外可见光谱研究

4．3．6 光催化降解性能研究

4．4 本章小结

参考文献

第五章 钇掺杂中空球形二氧化铈的形貌控制及其光催化性能的研究

5．1 引言

5．2 实验部分

5．2．1 试剂来源

5．2．2 钇掺中空球形二氧化铈制备

5．2．3 结构测试

5．2．4 光催化活性测试

5．3 结果与讨论

5．3．1 形貌分析

5．3．2 X射线衍射分析

5．3．3 拉曼光谱分析

5．3．4 X射线光电子能谱分析

5．3．5 光催化降解性能研究

5．4 本章小结

参考文献

结论与展望

博士期间取得的成果

致谢

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