苹果酸盐溶胶凝胶法制备纳米氧化物及其性能研究

摘要

金属纳米氧化物是一类具有广泛用途的纳米材料，由于其本身具有量子尺寸效应，小尺寸效应，表面效应，宏观量子隧道效应等，使其具有明显优于本体材料的性能，本文介绍了纳米氧化镁、氧化镍、氧化铈的国内外研究现状；分析了溶胶凝胶法的分类、原理以及优缺点；分别以主族金属Mg，过渡金属Ni，稀土金属Ce为代表，使用溶胶凝胶法制备了上述金属元素的纳米氧化物，对其结构和组成进行了表征，对反应条件进行了改进和优化，并对其某些方面的应用进行了研究。 以苹果酸和硝酸镁为原料，采用溶胶一凝胶法(sol-gel)制备了氧化镁纳米晶。根据制备条件的不同，粒径可在7-20nm之间。采用傅立叶红外光谱(FT-IR)、热分析(TG-DTA)、X射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)对凝胶的组成和热分解过程，凝胶和样品的物相组成以及样品的形貌、粒径大小、分布情况进行了分析；考察了原料配比、煅烧温度和时间、溶液初始pH值、乙醇用量对样品形貌和粒径的影响。结果表明，硝酸镁与苹果酸的摩尔比为1∶1,5，煅烧温度在500～700℃，煅烧时间为3h，溶液初始pH值在3～7，V<,乙醇>∶V<,水>为1∶4时为最佳反应条件；纳米氧化镁的生成可能与NH<,4>NO<,3>的存在有较大关系，NH<,4>NO<,3>的存在有利于粒子间的细化，减小了粒子问的团聚；纳米氧化镁在紫外区有较大的吸光度，紫外可见光谱(UV-Vis)表明，纳米氧化镁的紫外屏蔽性能优于普通的氧化镁粉体，铕离子的掺入能明显提高纳米氧化镁的紫外屏蔽性，并对其原因进行了分析。 以碱式碳酸镍和苹果酸为原料，蒸馏水为溶剂，通过溶胶凝胶法制备了纳米氧化镍；并采用热重差热分析(TG-DTA)，X射线粉末衍射(XRD)，傅立叶红外光谱(FT—IR)以及透射电子显微镜(TEM)对其反应过程和样品的粒径、形貌进行了分析。结果表明，由碱式碳酸镍和苹果酸反应得到的前驱体主要是由苹果酸镍和残留苹果酸组成；前驱体在400℃煅烧1h可完全转化为纳米氧化镍。所得纳米氧化镍属立方结构，由谢乐公式可知其平均粒径为14nm。而且分布均匀，无明显团聚现象，随着温度的升高所得样品的粒径增大。随苹果酸量的增加，纳米氧化镍的粒径呈先增大后减小的趋势，并且粒子间团聚程度增加；溶剂体积增加时，粒径逐渐减小：随煅烧时间的延长粒径逐渐增大，但无明显团聚产生。与其他方法相比，该法简单，原料廉价，所以在大规模的工业化生产中很有发展潜力。此外，对反应中金属镍形成的机理进行了探讨。以苹果酸做为还原剂，硝酸铈为氧化剂，采用自蔓延燃烧法(auto-cornbustion)成功制备了氧化铈纳米晶。前驱体通过在200℃左右燃烧得到疏松的纳米氧化铈粉末，利用IR、TG-DTA、XRD、TEM对前驱体和样品进行了分析，并对苹果酸与硝酸铈的配比对反应的影响进行了研究，当两者的摩尔比从3降到1后，燃烧速率明显增加，粒径从8.5nm增加到24.7nm。并用IR和TG-DTA对自燃烧的机理进行了分析。随溶液初始pH的增加粒径减小，粒子的分散性增强；此外，纳米氧化铈的紫外屏蔽性明显优于普通氧化铈，原料配比不同所得样品在整个紫外可见区的吸光度不同。研究了所得样品对高氯酸铵(AP)、热分解的影响，并与本体的氧化铈进行了比较。结果表明，纳米氧化铈对AP的热分解具有明显的催化活性，添加纳米氧化铈后AP的分解终止温度降低了46℃，高温分解温度降低了48℃，并且提高了AP的分解速率。催化性能明显优于本体氧化铈，并对氧化铈的催化机理进行了分析。

目录

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摘要

第一章绪论

1.1纳米氧化物的性质、用途及国内外研究现状

1.1.1纳米氧化镁的性质、用途及国内外研究现状

1.1.2纳米氧化铈的性质、用途及国内外研究现状

1.1.3纳米氧化镍的性质、用途及国内外研究现状

1.2溶胶凝胶法的分类、原理和优缺点

1.2.1溶胶凝胶法的分类及原理

1.2.2溶胶凝胶法的优缺点

1.2.3自蔓延溶胶凝胶法的原理和研究现状

1.3纳米氧化物制备方法简介

1.3.1固相法

1.3.2液相法

1.3.3气相法

1.4选题的背景和问题的提出

1.5本文的思路、主要内容及创新之处

参考文献

第二章纳米氧化镁的制备及其紫外屏蔽性能

2.1前言

2.2实验部分

2.2.1实验试剂与仪器

2.2.2制备过程

2.2.3前驱体和样品的表征

2.3结果与讨论

2.3.1前驱体的FT-IR分析

2.3.2前驱体以及样品的XRD分析

2.3.3前驱体的TG-DTA分析

2.3.4样品的透射电镜分析（TEM）

2.3.5反应条件对纳米氧化镁粒径及形貌的影响

2.3.6纳米氧化镁生成机理探讨

2.3.7纳米氧化镁粒子的紫外屏蔽性能

2.4离子掺杂对纳米氧化镁紫外屏蔽性的影响

2.4.1实验过程

2.4.2结果与讨论

2.5本章小结

参考文献

第三章纳米氧化镍的制备与表征

3.1引言

3.2实验部分

3.2.1实验试剂与仪器

3.2.2实验过程

3.2.3前驱体和样品的表征

3.3结果与讨论

3.3.1前驱体的红外光谱分析（FT-IR）

3.3.2前驱体的TG-DTA分析

3.3.3前驱体和样品的XRD分析及煅烧温度对样品的影响

3.3.4样品的TEM分析

3.3.5原料配比的影响

3.3.6溶剂体积的影响

3.3.7煅烧时间的影响

3.3.8纳米NiO形成的可能机理

3.3.9产生金属镍的可能原因

3.4本章小结

参考文献

第四章燃烧法制备纳米氧化铈及其紫外屏蔽性和催化性能

4.1引言

4.2实验部分

4.2.1实验试剂与仪器

4.2.2实验过程

4.2.3前驱体和样品的表征

4.2.4催化高氯酸铵分解的测定

4.3结果与讨论

4.3.1前驱体的自蔓延燃烧分析

4.3.2前驱体及样品的红外光谱（FT-IR）分析

4.3.3前驱体及样品的XRD分析

4.3.4原料配比对纳米氧化铈粒径及形貌的影响

4.3.5溶液初始pH值对纳米氧化铈粒径及形貌的影响

4.3.6纳米氧化铈的紫外吸收性能

4.3.7纳米氧化铈对高氯酸铵分解的催化作用

4.3.8催化机理的探讨

4.4本章小结

参考文献

结论与展望

附录：硕士期间科研成果

致谢