微结构可控的金属和复合金属氧化物基纳米材料的制备、结构及性能
众所周知,纳米材料的性能不仅与其尺寸大小有关,还与其维度、表面结构、裸露晶面等因素密切相关。因此对于纳米材料形貌和尺寸的控制具有十分重要的意义。金属氧化物纳米材料是一类重要的无机功能材料,由于其独特的物化性质而被广泛应用到半导体材料、磁性材料、传感以及催化剂和催化剂载体等诸多领域。由于金属氧化物纳米结构丰富,且处于纳米尺度的金属氧化物的性能强烈依赖于其粒径大小、结构、形貌、组装方式等,因而对金属氧化物的研究也最为深入,研发简单、经济、绿色、有效的方法来实现对纳米材料粒径大小、形貌、表面及微观结构的裁剪,制备性能优异的纳米材料成为该领域研究的重要课题。本论文围绕金属氧化物基纳米材料微结构的控制及其性能研究做了以下几个方面的工作。
首先针对传统高温陶瓷法在制备锌铝尖晶石型复合金属氧化物过程中出现的粒子的团聚和烧结,整体均一性不高,比表面积下降等问题,开发了一种简便、绿色的溶剂热合成方法用于低温一步制备ZnAl2O04尖晶石型复合金属氧化物。制备过程中无需引入模板或表面活性剂,仅通过在溶剂中引入不同种类的醇便可实现对ZnAl2O4织构性能的调控。该方法制备的ZnAl2O4具有较高的比表面积和热稳定性。将制备的ZnAl2O4尖晶石作为载体,以NaBH4为还原剂,通过简单的液相还原的方法实现了Ag纳米粒子在载体表面的均匀负载。这种Ag／ZnAl2O4负载型催化剂在邻硝基氯苯的选择性加氢生成邻氯苯胺的反应中体现了高的活性,能够抑制过度加氢生成苯胺反应的进行,具有较高的选择性。同时载体和Ag之间的强相互作用,抑制了Ag纳米粒子的聚集和氧化,提高了催化剂的稳定性。
在上述工作的基础上我们以铝片作为基体并提供铝源,采用溶剂热法在铝基体表面低温一步合成了颗粒状的、棒状的、以及片状的锌铝尖晶石薄膜。该方法经济、环保、制备方法简便且便于规模化制备,具有十分重工业应用价值。研究结果表明,薄膜表面的形貌依赖于Zn2+及尿素的浓度。并且通过表面功能化修饰,可得到具有疏水／超疏水性能的薄膜材料。在制备薄膜的基础上,实现了Ag纳米粒子在薄膜表面的均匀负载,并作为结构化的薄膜催化剂用于对硝基苯酚的还原反应。
采用水热法,以NiFe-LDH为前体,经过焙烧和选择性的溶蚀等处理,在Si基体表面制备出NiFe2O4薄膜材料,通过调变前体中Ni2+／Fe3+的比例实现对NiFe2O4尖晶石薄膜表面粒径大小、孔结构等微观结构的控制,制备出疏水性能、磁学性能可控的功能化的NiFe2O4尖晶石薄膜。
目前传统液相法在制备具有多级结构的CuO薄膜时往往需要引入表面活性剂,表面活性剂的引入会部分覆盖CuO纳微结构表面的活性位,从而影响其在传感、场发射、锂电等领域的应用。针对上述问题,我们在不引入任何任何表面活性剂和氧化剂的条件下在铜基体表面原位合成了具有三维花状仿生结构的CuO薄膜。以NaBH4作为碱性试剂和还原剂,实现了CuO薄膜表面纳微结构的调控,并提出了薄膜表面花状结构可能的形成机理。薄膜表面特殊的纳微组装结构有利于制备疏水／超疏水性CuO薄膜,同时能够极大的提高其催化降解苯酚的能力。我们以NaBH4为碱性试剂,采用溶剂热法实现了在锌基片表面一步制备ZnO纳米薄膜／阵列。通过在溶剂中引入适量的乙醇便可在锌基片表面一步合成单晶ZnO纳米阵列,无需对基体进行预处理或引入籽晶等烦琐步骤。通过改变溶剂中醇／水的比例,便可实现对ZnO薄膜表面形貌的控制。在此基础上研究了不同形貌对ZnO薄膜光致发光性能的影响,发现制备出的单晶ZnO纳米阵列显示出了高的紫外／可见光强比。
尖晶石;原位生长;复合金属氧化物;纳米材料;催化剂载体;微结构可控
北京化工大学
博士
化学工程与技术
李峰
2011
中文
TM287;TB383
175
2011-08-24（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）