水滑石向复合金属氧化物的转晶机制及其相关产物性能研究

摘要

由层状双羟基复合金属氧化物材料(layered double hydroxides,简称LDHs,又叫类水滑石)在高温氧化条件下转化所得复合金属氧化物材料(Mixed Metal Oxides,简称MMO)在催化、磁学、光学等领域有着广泛的应用前景。在由LDHs向MMO转化过程中,材料的微观结构、物相组成及宏观形貌等发生一系列规律变化；同时,材料的最终性能也是与上述结构及物相变化密切相关的。本论文围绕LDHs材料高温转晶机制及所形成MMO材料的相界面处相互耦合作用导致性能的一系列变化开展基础研究。针对目前该领域中的科学问题,首先选取ZnAl-LDHs为前驱体,系统研究了其在高温转晶过程中的微观结构及物相变化,并提出相关LDHs向MMO的转晶机制。在此基础上,分别研究了MMO材料中不同物相界面处的耦合作用对最终性能的影响。此外,针对LDHs材料在光催化领域的争议,探讨了其去除有机染料分子中的真实因为。本研究工作可望为深入理解LDHs高温转晶过程及基于实际需要对MMO材料进行构筑并对最终性能进行调控奠定一定理论和实验基础。
　　 本论文的创新点和研究结果如下:
　　 首先,针对LDHs在高温氧化条件下的转晶机制这一关键科学问题,以ZnAl-LDHs为前驱体,采用包括高分辨投射电镜在内的多种表征手段对其向最终ZnO／ZnAl2O4纳米复合材料的转化过程进行研究。结果证实,ZnAl-LDHs分别经历了水滑石结构破坏与ZnO成核、ZnO的取向生长与.ZnO／ZnAl2O4复合材料形成的三个阶段。在此基础上,提出了相关的LDHs向MMO的转晶机制,同时,该机制被证明具有良好的普适性。
　　 其次,基于LDHs向MMO转化过程中的结构特征,研究了ZnO／ZnAl2O4复合纳米材料的光催化性能。经高温转化后,在ZnAl2O4和ZnO相界面处形成了纳米异质结的结构；因此两种半导体物相间存在较强耦合作用,有利于分离光生电子一空穴对,从而与单相ZnO材料相比,所得ZnO／ZnAl2O4复合纳米材料具有更高的光催化活性。
　　 第三,针对纳米磁性粒子存在的“超顺磁限制”问题,以NiFe-LDHs为前体,在高温条件下利用LDHs的拓扑效应制备得到NiO／NiFe2O4纳米复合材料。NiO和NiFe2O4相界面处较强的铁磁／反铁磁相互耦合作用有效提高了NiFe2O4纳米粒子的磁热稳定性。与相同粒径的NiFe2O4粒子相比,NiO／NiFe2O4纳米复合材料中的NiFe2O4的截止温度(TB)提高了200 K以上。
　　 本论文最后针对LDHs材料在去除有机染料分子领域的广泛应用,深入探讨了该反应本质。选取代表性MgAl-LDHs和ZnCr-LDHs为研究对象,基于一系列光照／暗处条件的去除不同染料分子实验及密度泛函计算结果,讨论了MgAl—LDHs和ZnCr-LDHs去除有机染料分子及ZnCr-LDHs不具备光催化活性的真实因为。

目录

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Contents

第一章 绪论

1.1 层状双羟基复合金属氧化物(LDHs)材料

1.1.1 LDHs的结构

1.1.2 LDHs的制备方法

1.1.3 LDHs的性质

1.1.4 LDHs的应用

1.2 水滑石向复合金属氧化物材料(MMO)转晶机制的相关研究

1.2.1 不同表征于段在LDHs转晶研究中的应用

1.2.2 高分辨透射电镜(HRTEM)在材料转晶过程研究中的应用

1.3 尖晶石型复合金属氧化物材料的研究现状

1.3.1 尖晶石型复合金属氧化物的晶体结构及分类

1.3.2 尖晶石及铁氧体材料的制备方法

1.3.3 尖晶石材料的应用简介

1.4 纳米磁学简介

1.4.1 磁性基本分类

1.4.2 磁性物质的特征-磁畴和磁滞回线

1.4.3 超顺磁性及铁磁-反铁磁交换偏置

1.5 半导体光催化简介

1.5.1 半导体光催化基本原理

1.5.2 光催化剂性能的影响因素

1.5.3 光催化剂的改性

1.6 论文选题的目的、意义及研究内容

1.6.1 目的、意义

1.6.1 研究内容

第二章 由水滑石向复合金属氧化物的转化过程研究

2.1 引言

2.2 实验部分

2.2.1 实验药品及仪器

2.2.2 样品制备

2.2.3 样品分析及表征

2.3 结果与讨论

2.3.1 水滑石前体的表征及分解不同阶段过程中的结构变化研究

2.3.2 ZnAl-LDHs分解及转化过程中27Al NMR表征

2.3.3 ZnAl-LDHs热分解产物紫外阻隔性能的表征与研究

2.3.4 不同Zn/Al比对ZnAl-LDHs向MMO转化机制的影响

2.4 本章小结

第三章 znO/ZnAl2O4纳米复合材料的光催化性能研究

3.1 引言

3.2 实验部分

3.2.1 实验药品及仪器

3.2.2 样品制备及光催化实验

3.2.3 样品表征

3.3 结果与讨论

3.3.1 不同Zn/Al比ZnAl-LDHs前体的合成及结构与形貌表征

3.3.2 不同ZnO/ZnAl2O4纳米复合材料的合成与结构表征

3.3.3 ZnO/ZnAl2O4复合物光催化降解甲基橙水溶液的研究及讨论

3.4 本章小结

第四章 水滑石前体法制备NiFe2O4/NiO复合材料及其磁学性能研究77

4.1 引言

4.2 实验部分

4.2.1 实验药品及仪器

4.2.2 样品制备

4.2.3 样品分析及表征

4.3 结果与讨论

4.3.1 NiFe水滑石前体的合成及晶体结构表征

4.3.2 NiFe-LDHs前驱体的IR表征

4.3.3 NiFe-LDHs前驱体的热分析

4.3.4 复合NiFe2O4/NiO材料的合成与表征

4.3.5 NiFe2O4/NiO复合材料的磁学性能研究

4.4 本章小结

第五章 类水滑石类材料去除水溶液中有机染料分子真实原因的探究

5.1 引言

5.2 实验部分

5.2.1 实验药品及仪器

5.2.2 样品制备及光催化实验

5.2.3 样品表征

5.3 结果与讨论

5.3.1 MgxAl-/ZnxCr-LDHs前体的合成及向光结构与性质表征

5.3.2 MgxAl-/ZnxCr-LDHs前体去除亚甲基蓝的相关研究

5.3.3 MgxAl-/ZnxCr-LDHs前体去除甲基橙的相关研究

5.3.4 MgxAl-/ZnxCr-LDHs前体去除有机污染物真实原因讨论

5.4 小结

第六章 结论

论文创新点

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

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