钴、锌氧化物纳米复合材料的制备及其CO催化氧化性能的研究

摘要

催化剂对于人类的生产和生活发挥着巨大的作用，在化工生产，研究实验和各种生命活动中，催化剂都得到了广泛的应用。无论是科学理论研究，还是在工业生产，高效的工业合成和清洁能源的开发利用，在提高人类经济效益和保护生存环境等方面有广阔的发展前景，而这一切都离不开催化剂。中国工业催化剂种类可分为石油炼制催化剂，无机催化剂，有机化工催化剂，环境保护催化剂和其他催化剂。其中，无机催化剂在非均相催化反应中得到了很大应用，例如气体净化，工业废水降解，烷基化反应和工业费托反应等。近几年来，纳米材料应用到催化领域已经引起了科学家和研究者的高度关注，由于纳米材料的高比表面，小颗粒尺寸和高暴露晶面等特征，比普通非纳米级催化剂具有更高的催化效率。
　　ZnO作为一种无机纳米材料，由于其形貌和晶面易调控，对开发功能性材料发挥了极大的作用，在催化、压电器件、传感器、太阳能电池等领域都得到了重要的应用。此外，通过金属或氧化物掺杂，半导体异质复合，材料表面功能化修饰等方法对纳米ZnO性能的进一步开发提供了广阔的发展前景。
　　本文通过尿素水热法制各了单晶多孔ZnO纳米片并对其进行过渡金属元素掺杂，研究了掺杂前后ZnO的晶体学变化。此外，我们利用碱式碳酸锌和ZnO的双模板作用，开发了一种两步水热法合成了分散性好，小尺寸(～5 nm)的Co3O4纳米颗粒负载单晶多孔ZnO纳米片的复合材料，并应用到一氧化碳催化反应中。论文研究内容归纳如下:
　　1、利用尿素水热法合成了单晶多孔ZnO纳米片，并且，通过一步水热过程制备了四种过渡金属元素Mn，Co，Ni和Cu掺杂ZnO的实验。研究了掺杂前后ZnO的晶体学变化和掺杂元素的存在形态，掺杂后XRD衍射峰的偏移和电子衍射晶格间距存在变化，推测是由于过渡金属的晶格占据，导致了ZnO晶格膨胀或缩小，进而会影响ZnO的晶体学性质。其中Ni对多孔ZnO纳米片的掺杂，区域性改变了ZnO的单晶状态。
　　2、利用水锌矿[Zn5(CO3)2(OH)6]前驱体和单晶多孔ZnO纳米片的双模板作用，合成了具有外延生长关系的Co3O4负载的ZnO复合材料。Co3O4的(220)和(311)晶面分别沿着ZnO的(110)和(112)晶面平行外延生长。因为这种生长关系的存在，导致Co3O4纳米颗粒稳定的分布在ZnO载体表面。通过高倍透射电子显微镜观察，Co3O4纳米颗粒均匀分散在多孔ZnO纳米片的表面，且颗粒大小均匀（5nm左右）。整个合成过程无需任何表面活性剂或有机溶剂，绿色无污染，制备的这种复合材料应用到一氧化碳催化氧化上表现了增强的催化性能。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 前言

1．2 纳米复合材料的制备方法

1．2．1 元素掺杂

1．2．2 模板法

1．2．3 浸渍法

1．2．4 溶胶凝胶法

1．3 ZnO纳米材料在催化领域的应用及发展

1．3．1 ZnO纳米材科的性质

1．3．2 ZnO纳米材料用于光值化反应

1．3．3 ZnO纳米材料用于其它催化反应

1．4 ZnO纳米复合材料的制备及在催化方面的应用

1．4．1 贵金属-ZnO复合纳米材料

1．4．2 半导体-ZnO复合纳米材料

1．5 纳米材料催化一氧化碳氧化

1．6 本文选题与构思

参考文献

第二章 连续水热法制备分散好的Co3O4纳米颗粒外延生长于单晶多孔ZnO纳米片上用于一氧化碳高效催化氧化

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 实验过程

2．2．2 试剂

2．2．3 样品表征

2．2．4 催化性能评价

2．3 结果与讨论

2．3．1 ZnO物相与结构分析

2．3．2 四种过渡金属掺杂ZnO物相与结构分析

2．3．3 催化剂结晶相组成分析和比较

2．3．4 催化剂形貌和晶体结构比较

2．3．5 比表面积和孔结构

2．3．6 表面金属氧化态和CO催化性能

2．4 本章小结

参考文献

第三章 全文总结

致谢

攻读硕士期间完成的论文