铋铜铬复合氧化物纳米粉体材料的湿化学法合成研究

摘要

近年来，核壳型复合纳米材料引起了人们广泛关注。核壳型复合纳米材料具有高稳定性、高催化活性、形貌和尺寸均匀、成份与结构可控等优点，可实现不同成分在纳米尺度上的充分有效耦合，能被人为设计和可控制备以满足许多特定的应用要求。氧化铋(Bi<,2>O<,3>)和铜铬复合氧化物(Cu-Cr-O)在催化剂、电子陶瓷以及固体电解质等重要领域有着广泛的应用。本论文在合成球形单分散纳米Bi<,2>O<,3>和Cu-Cr-O均匀复合纳米材料的基础上，制备了球形单分散Bi<,2>O<,3> ＠Cu-Cr-O新颖核壳复合纳米材料，并研究了该材料的催化性能。主要内容分为以下几部分： 第一部分，通过控制沉淀法成功制备了球形单分散的Bi<,2>O<,3>纳米颗粒，研究发现合成的纳米Bi<,2>O<,3>为单斜α和三斜ω两相混合物，常温下稳定，且储存六个月以上不团聚，文献少见报道；实验中，通过添加不同类型的分散剂，同时控制一定的反应物浓度、反应时间以及反应温度等工艺参数，在一定范围内可调控所合成Bi<,2>O<,3>纳米颗粒的形貌和尺寸。根据经典的DLNO理论分析了单分散Bi<,2>O<,3>纳米粒子的形成机制。 第二部分，用配合-共沉淀法成功制备了Cu-Cr-O均匀复合纳米材料。先用氨水配合Cu<'2+>离子得到蓝色透明均匀溶液，然后加入可溶性铬盐，让Cr<'3+>离子与氨合铜离子一起沉淀，得到铵合铜铬复合物作为前驱体。根据热分析(TG-DTG和DTA)数据，利用V. Satava固体热分解动力学方程推算了所合成前驱体的热分解机理和结晶温度。前驱体一定温度煅烧得到Cu-Cr-O均匀复合纳米材料。通过改变溶液的pH值来调控最终Cu-Cr-O复合纳米材料的成分组成与晶体结构。 第三部分，在前面两部分工作基础上，以实验所制备球形单分散Bi<,2>O<,3>胶体纳米粒子为基底，利用OH<'->和NH<,4><'+>，NH<,4><'+>和Cu<'2+>，以及[Cu(NH<,3>)<,4>]<'2+>与[Cr(OH)<,4>]<'->间的相互作用力，采用定向沉积法，创新制备了球形单分散Bi<,2>O<,3>＠Cu-Cr-O核壳复合纳米颗粒。核壳复合纳米颗粒的尺寸以及壳层的厚度可以通过改变原料中Cu-Cr-O与Bi<,2>O<,3>的比例来调控。机理分析表明，包覆前先对Bi<,2>O<,3>粒子进行表面铵根离子功能化是形成均匀核壳纳米结构的关键。 第四部分，通过紫外可见吸收光谱研究了所合成球形单分散Bi<,2>O<,3>@Cu-Cr-O核壳复合纳米材料的带隙，发现该材料可成功实现Bi<,2>O<,3>和Cu-Cr-O两种成分在纳米尺度上的有效偶合，通过改变壳层(Cu-Cr-O)的包覆厚度可以达到有效调控材料能带结构的目的。研究了所制备球形单分散Bi<,2>O<,3>@Cu-Cr-O核壳复合纳米材料对CO催化氧化以及对含高氯酸铵(AP)改性固体推进剂的催化燃烧性能，发现其催化活性明显优于相应的单组分材料，特别是当壳层(Cu-Cr-O)与核层(Bi<,2>O<,3>)的尺寸比例为1：4时催化效果最佳。 总之，本论文在铋铜铬复合氧化物合成新方法、新工艺、形成机制以及物性应用等方面做出了有益的探索。所合成球形单分散Bi<,2>O<,3>@Cu-Cr-O核壳复合纳米材料在汽车尾气处理以及固体推进剂上具有重要的应用前景。

目录

文摘

英文文摘

原创性声明及关于学位论文使用授权说明

第一章引言

第二章单分散纳米氧化铋的液相调控合成研究

第三章纳米铜铬复合氧化物湿化学法合成研究

第四章核壳结构Bi2O3Cu-Cr-O复合纳米材料的调控合成研究

第五章铋铜铬复合氧化物纳米材料的性能应用研究

第六章结论

参考文献

致谢

攻读博士期间论文发表情况及科研情况