微波溶剂热制备纳米CeO2及其去除水中污染物性能研究

摘要

作为一种新型的半导体材料，纳米CeO2被广泛的应用于抛光粉、电化学、玻璃澄清剂、汽车尾气处理、紫外光吸收及水污染处理等领域。纳米CeO2有广阔的应用前景，近期科学家一直在致力研究纳米CeO2。
　　 由于纳米CeO2独特的性能，在水污染处理方面的应用也愈加广泛，它强大的储放氧能力能够使水中的有机污染物发生氧化还原反应，从而达到降解水中污染物的目的。针对这一性能，本文选用廉价的硝酸铈、氨水、尿素为反应物，采用微波溶剂热法制备不同形貌的纳米CeO2、微纳米结构CeO2和纳米CeO2复合材料。采用扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X射线衍射仪、紫外-可见光谱分析等手段对产物进行表征和测试。
　　 采用微波溶剂热法以氨水为沉淀剂，制备了粒径约为17nm的纳米CeO2单晶粒。保温时间从2h延长3h加剧了纳米CeO2颗粒的团聚，反应时间控制在2h有利于得到分散性好的颗粒。采用微波溶剂热法以尿素为沉淀剂，制备了粒径约为13nm的一次纳米CeO2颗粒，通过一次纳米CeO2颗粒的自组装形成了直径在400nm左右的空心球，其最优的制备条件为:Ce3+浓度为0.01mmol/mL，升温速率为12℃/min，反应温度为170℃，保温时间为30min。当升温速率变为36℃/min，其他条件保持不变时，制备出了存在大量微孔的球状CeO2。以尿素为沉淀剂时，Ce3+浓度对产物的形貌产生了很大的影响:Ce3+浓度为0.01mmol/mL时CeO2的形貌为直径约为250nm的中空的球体，当Ce3+浓度为0.02mmol/mL时CeO2的形貌既有直径约为400nm的球体又有长度在3μm左右的棒状，当Ce3+浓度为0.03mmol/mL时CeO2的形貌既有直径在15μm左右的球也有长度在40-60μm的棒。以氨水为沉淀剂制备的小品粒纳米CeO2和以尿素为沉淀剂制备的纳米空心球CeO2吸附催化性能较高，对模拟污染物甲基橙溶液的降解率均超过了90％。
　　 采用微波溶剂热法，以聚苯乙烯球为模板，以尿素为沉淀剂合成前驱体，将其在500℃下煅烧可制备出粒径为4μm左右的中空球，球壁厚度约为250nm左右，由粒径为200nm左右的晶粒组成;采用微波均相沉淀法，以脱脂棉为模板，以尿素为沉淀剂合成前驱体，将其在500℃下煅烧制备出了板片状的CeO2，厚度在200nm左右，其一次颗粒为纳米级别的晶粒，粒径约为30-40nm。在可见光照射下中空球状微纳米结构CeO2对甲基橙的降解率要优于板片状CeO2，累计光照1h后中空球状CeO2对甲基橙的降解率达到91.4％，板片状的为60％左右。
　　 通过微波酸改性山东硅藻土，去除了硅藻土表面的杂质，增加了它的比表面积，提高了其吸附降解性能。采用10％的硫酸水溶液，在微波辐照下70℃改性处理后的硅藻土性能显著改善。改性后的山东硅藻土，通过浸渍混合法负载纳米晶CeO2，其吸附降解能力得到了提高，CeO2和硅藻土比例20％时其复合体系吸附降解能力最强。以脱脂棉为载体，采用微波沉淀法制备出了粒径在3μ m左右的花粒状结构C/CeO2复合材料，对甲基橙溶液的降解率达到了85％左右。
　　 采用微波溶剂热法制备出了粒径较小，分布集中在10.5-15.8nm之间的纳米银溶胶。制得的纳米银颗粒对光的吸收能力特别是对可见光的吸收相对较强。负载纳米银改性后的CeO2对光的吸收能力增强，特别是在可见光区对光的吸收相对于未改性的CeO2有所提高;改性后的CeO2对甲基橙的降解率提高，高于未负载银的CeO2的降解率。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 CeO2的结构与性能

1．2 纳米结构CeO2的应用

1．3 液相法制备纳米结构CeO2及其粒径控制

1．4 不同形貌及改性对纳米CeO2性能的影响

1．5 微波溶剂热法制备纳米材料

1．6 研究目的与内容

第二章 实验过程

2．1 实验原料与仪器

2．1．1 实验原料

2．1．2 实验仪器

2．2 微波溶剂热法合成纳米结构CeO2

2．2．1 氨水法制备CeO2

2．2．2 尿素法制备CeO2

2．3 硬模板法制备微纳米结构CeO2

2．3．1 以聚苯乙烯球为模板制备微纳米结构CeO2

2．3．2 以脱脂棉为模板制备微纳米结构CeO2

2．4 微纳结构CeO2复合材料的制备

2．4．1 硅藻土／CeO2复合材料的制备

2．4．2 C／CeO2复合材料的制备

2．5 纳米银改性CeO2

2．5．1 纳米银溶胶的制备

2．5．2 浸渍负载法制备Ag／CeO2样品

2．6 试样的表征与测试

2．6．1 X射线衍射表征

2．6．2 结构形貌表征

2．6．3 粒度分析

2．6．4 热重-差热分析

2．6．5 紫外可见光谱分析

2．6．6 Zeta电位分析

2．6．7 BET-BJH表征

2．7 去除水中污染物模拟实验

第三章 纳米CeO2的制备与表征

3．1 样品制备

3．1．1 以氨水为沉淀剂制备纳米CeO2

3．1．2 以尿素为沉淀剂制备纳米CeO2

3．2 试样的X射线衍射分析

3．2．1 以氨水为沉淀剂的试样X射线衍射分析

3．2．2 以尿素为沉淀剂的试样X射线衍射分析

3．3 以氨水为沉淀剂的试样形貌分析

3．4 以尿素为沉淀剂的试样形貌分析

3．5 不同形貌纳米CeO2形成机制分析

3．5．1 以氨水为沉淀剂形成纳米CeO2机制分析

3．5．2 以尿素为沉淀剂形成纳米CeO2机制分析

3．5．3 以CTAB为表面活性剂形成菱形板块状CeO2机制分析

3．6 纳米CeO2降解有机污染物结果与分析

3．6．1 不同反应温度下合成的CeO2对甲基橙的降解情况

3．6．2 不同保温时间下合成的CeO2对甲基橙的降解情况

3．6．3 不同升温速率下合成的CeO2对甲基橙的降解情况

3．6．4 微波条件对合成的CeO2降解甲基橙的影响

3．7 本章小结

第四章 微纳米结构CeO2制备和表征

4．1 硬模板法制备微纳米结构CeO2

4．1．1 以聚苯乙烯球为模板制备微纳米结构CeO2

4．1．2 以脱脂棉为硬模板制备微纳米结构CeO2

4．2 微纳结构CeO2复合材料的制备

4．2．1 微波酸法处理硅藻土

4．2．2 硅藻土／CeO2复合材料的制备及表征

4．2．3 负载后的改性山东潍坊硅藻土对甲基橙溶液的降解效果

4．2．4 碳／CeO2复合材料的制备及表征

4．3 本章小结

第五章 纳米银改性CeO2

5．1 微波溶剂热制备纳米银溶胶

5．2 纳米银溶胶的XRD分析

5．2 银溶胶的SEM分析

5．3 银溶胶的紫外可见吸收光谱分析

5．4 CeO2负载纳米银溶胶后试样表征

5．5 负载银后的CeO2处理模拟染污物性能分析

5．6 本章小结

第六章 结论

参考文献

致谢

附录