二氧化铈超细纳米线及其复合材料的制备与性能研究

摘要

近年来，一维纳米结构由于其各向异性特性，在纳米器件和介观物理等方面的独特应用已经成为研究热点。二氧化铈作为一种重要的稀土氧化物，因其独特的物理化学性质使其具有优异的功能，已被广泛地应用于催化、光学、电化学和环境化学等技术领域。二氧化铈表面缺陷主要是由氧空位造成的。当处于贫氧环境时，二氧化铈可以形成大量氧空位，向环境中释放氧;当处于富氧环境时，二氧化铈又可以通过氧空位存储氧，因此二氧化铈具有优异的释放氧和存储氧的能力。二氧化铈表面的氧空位在催化CO氧化反应中起到了重要作用，催化活性的增强通常归功于二氧化铈的氧气存储能力(OSC)。随着材料尺寸减小到纳米级别，纳米氧化物晶体的缺陷形成能可能会大幅降低，导致非化学计量程度的加剧和电子载体生成的增加。随着颗粒尺寸的减小，二氧化铈颗粒具有更大的表面积和体积比，使得其产生更多的氧空位。当二氧化铈的尺寸减小到纳米级别，二氧化铈不仅保留了稀土元素独特的电子层结构，同时拥有尺寸效应导致的一系列性质，使纳米二氧化铈晶体具有许多优于体材料的独特性质。本论文以一维二氧化铈纳米线为研究对象，发展其化学法制备技术及其复合材料的性能。取得的研究结果如下：
　　1.建立了一步法制备超细二氧化铈纳米线的新技术。在乙醇-水混合溶剂体系中未采用任何模板或表面活性剂通过一步回流的方法合成了直径5纳米、长径比超过100的二氧化铈超细纳米线。这种二氧化铈纳米线具有高达125.31 m2 g-1的比表面积，对重金属离子和有机染料有着很高的吸附容量。对刚果红染料的吸附周期只有30分钟，吸附容量高达2382.75 mg g-1。另外，二氧化铈超细线能够在几种染料的混合溶液中选择性地吸附刚果红染料。
　　2.成功实现了二氧化铈超细纳米线与贵金属的有效复合。将二氧化铈超细纳米线组成的纳米网络分散在氯金酸水溶液中，用硼氢化钠(NaBH4)作为还原剂，在二氧化铈超细纳米线上生成了均匀分布的粒径2-3 nm的Au纳米颗粒。这种贵金属-二氧化铈复合材料能够在10 s内完全催化还原对硝基苯酚生成对氨基苯酚。具有大的表面积的二氧化铈纳米网络结构作为基底，不仅能够抑制贵金属纳米颗粒在催化反应过程中的团聚，同时，二氧化铈网络结构与贵金属纳米颗粒之间的协同作用，也能进一步提高复合催化剂的催化活性。
　　3.建立了一系列过渡金属掺杂二氧化铈超细纳米线材料的制备技术。在水/乙醇混合溶剂中采用一步回流方法合成了一系列的铜掺杂二氧化铈Ce1-xCuxO2(x=0，0.02，0.05，0.10，0.20和0.40)、过渡金属掺杂二氧化铈超细纳米线Ce0.90M0.10O2(M=Cu，Fe，Co和Ni)以及双过渡金属共掺杂的二氧化铈超细纳米线。以一氧化碳(CO)催化氧化为探针反应，测试了这些材料在多相催化中的催化性能。结果表明了掺杂10 at.％铜元素的二氧化铈Ce0.90Cu0.10O2表现出最好的催化活性，并且100％转化温度T100降到1350C。在催化CO氧化的过程中，Ce4+/Ce3+和Cu2+/Cu+氧化还原循环都通过形成氧空位从而促进CO氧化反应，并且催化性能对基底的选择有着很强的依赖性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 CeO2的结构与性质

1．3一维CeO2纳米材料

1．4 二氧化铈负载贵金属

1．5 掺杂二氧化铈催化剂

1．6 CeO2纳米材料的应用

1．6．1 CO氧化

1．6．2 固体氧化物燃料电池

1．6．3 光催化

1．6．4 传感器

1．6．5 氧渗透膜

1．6．6 生物医学应用

1．7 本论文的选题背景和研究内容

参考文献

第二章 二氧化铈超细纳米线的合成及其吸附性能研究

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 实验材料

2．2．2 超细二氧化铈纳米线的合成

2．2．3 样品表征

2．2．4 吸附性能测试

2．3 结果与讨论

2．3．1 超细二氧化铈纳米线的合成与结构表征

2．3．2 超细二氧化铈纳米线的形成机理

2．3．3 混合溶剂比例对二氧化铈形貌的影响

2．3．4 吸附性能研究

本章小结

参考文献

第三章 Au／CeO2纳米网络结构的制备及其催化性能研究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 实验材料

3．2．2 二氧化铈纳米网络的合成

3．2．3 样品表征

3．2．4 催化性能测试

3．3 结果与讨论

3．3．1 二氧化铈纳米网络结构的合成和结构表征

3．3．2 Au／CeO2纳米网络结构的合成和结构表征

3．3．3 催化性能测试

3．3．4 流动相反应装置的设计与应用

本章小结

参考文献

第四章 过渡金属掺杂二氧化铈超细纳米线的合成及其催化性能研究

4．1 掺杂不同含量醋酸铜的二氧化铈超细纳米线的合成和催化性能研究

4．1．1 引言

4．1．2 实验部分

4．1．3 结果与讨论

4．1．4 结论

4．2 掺杂不同过渡金属离子的二氧化铈超细纳米线的合成和催化性能研究

4．2．1 引言

4．2．2 实验部分

4．2．3 结果与讨论

4．2．4 结论

4．3 双过渡金属共掺杂二氧化铈超细纳米线的合成和催化性能研究

4．3．1 引言

4．3．2 实验部分

4．3．3 结果与讨论

4．3．4 结论

本章小结

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文、研究成果和获奖情况