氧化铈基纳米粉体的制备及性能研究

摘要

二氧化铈是一种新型的稀土功能材料，在光催化方面有良好的研究前景。CeO2纳米粉体的组成、结构和形貌对其性能有很大影响。本课题利用水热及微波水热法，通过有机和无机形貌控制剂研究CeO2微纳粉体的制备和形貌控制过程，探讨了掺杂对CeO2纳米粉体的影响。在光催化领域，由于二氧化铈良好的和储氧性能，在光激发后晶格中的氧能抑制电子-空穴对的快速复合，提高光催化效率;同时，其氧化-还原性能在降解有机物中也能起到一定的作用。在本课题中，研究光催化性能时加入双氧水，利用CeO2与H2O2之间的类Fenton反应来加强其光催化性能。围绕CeO2微纳米材料的制备、形貌控制以及光催化性能，本论文着重进行了以下几方面的探讨:
　　 (1)以三聚磷酸钠和磷酸钠形貌控制剂和矿化剂，180℃水热条件下成功制备出CeO2纳米八面体与纳米棒。实验发现，水热反应过程中磷酸盐水解产生的H2PO4-离子是促进纳米棒形成和生长的主要原因，而HPO42-离子则是促进纳米八面体形成和生长的主要因素。
　　 (2)在三聚磷酸钠和磷酸钠的水热体系下，制备了F、Cu、Sr和Ni掺杂的CeO2纳米粉体。a）F的引入能抑制CeO2纳米棒的形成，增大了粉体的比表面积，提高了光催化活性。b）磷酸钠的水热体系中，Cu掺杂配比为10％时，粉体的结晶性最好。Cu掺杂能够抑制纳米棒而促进纳米八面体的生长。在三聚磷酸钠体系中，Cu的引入有利于纳米棒的形成于长大，但反应时间的增加有利于纳米八面体的生长。c）磷酸钠的水热体系中，Sr的增加能够抑制纳米八面体而不影响纳米棒的生长，但纳米棒容易聚集在一起变为簇状。在三聚磷酸钠体系中，Sr的引入有对纳米棒有抑制作用，但随反应时间的增加不影响纳米八面体的形貌与尺寸。d）磷酸钠的水热体系中，当Ni掺杂配比为5％时，掺杂效果最好。在三聚磷酸钠体系中，Ni的引入有对纳米八面体的形成与长大有抑制作用，但反应时间对纳米棒与八面体的形貌与尺寸并无影响。
　　 (3)采用微波水热法，在180℃，以PVP为形貌控制剂的条件下制备出CeO2纳米实心球。纳米实心球由细小的纳米颗粒组成，反应时间过长会破坏纳米实心球的结构。形貌和结构良好的CeO2纳米实心球的光催化效果良好。以SDS和甘氨酸为形貌控制剂，在微波水热180℃下，能制备出CeO2纳米空心结构。
　　 (4)采用水热法，180℃条件下，以CTAB、PEG6000和柠檬酸为形貌调控剂反应12h，分别制备出CeO2纳米球、梭形粉体与六方柱状粉体。SEM测试表明，CTAB对CeO2粉体形貌和尺寸调节性能较好，而PEG6000和柠檬酸对粉体的尺寸控制能力较差。

目录

摘要

1 绪论

1．1 CeO2微纳材料的简介及制备方法

1．1．1 CeO2微纳材料的简介

1．1．2 CeO2微纳材料的制备方法

1．2 CeO2微纳材料的应用

1．2．1 汽车尾气中三效催化剂

1．2．2 抛光材料

1．2．3 固体氧化物材料电池电解质

1．2．4 紫外线吸收剂

1．3 CeO2的光催化原理及提高光催化效率的途径

1．3．1 CeO2与类Fenton反应

1．3．2 CeO2光反应原理

1．4 本论文的选题意义及目的

1．5 本论文的研究内容

2 二氧化铈纳米棒及纳米八面体的制备

2．1 引言

2．2 实验过程

2．2．1 药品与仪器

2．2．2 CeO2纳米棒与纳米八面体的合成

2．2．3 测试与表征

2．3 结果与讨论

2．3．1 物相分析

2．3．2 形貌分析

2．3．3 反应机理探讨

2．3 小结

3 掺杂CeO2纳米粉体的制备及光催化性能研究

3．1 引言

3．2 实验方案

3．2．1 药品与仪器

3．3 F掺杂CeO2纳米粉体的制备

3．3．1 结果与讨论

3．4 Cu掺杂CeO2纳米粉体的制备

3．4．1 结果与讨论

3．5 Sr掺杂CeO2纳米粉体的制备

3．5．1 结果与讨论

3．6 Ni掺杂CeO2纳米粉体的制备

3．6．1 结果与讨论

3．7 小结

4 微波水热法制备CeO2纳米粉体及光催化性能研究

4．1 引言

4．2 CeO2纳米实心球的制备

4．2．1 结果与讨论

4．3 CeO2纳米空心结构的制备

4．3．1 结果与讨论

4．4 小结

5 水热法制备其它形貌CeO2微纳粉体

5．1 引言

5．2 实验方案

5．3 结果与讨论

5．3．1 物相分析

5．3．2 形貌分析

5．4 小结

6 结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文及专利成果

声明