氧化铈与氧化铜微纳米结构的复合组装和性能研究毕设论文.doc

氧化铈/氧化铜微纳米结构的复合组装和性能研究 青岛科技大学本科班毕业设计(论文)  PAGE \* MERGEFORMAT 26  PAGE \* MERGEFORMAT 25 前言 随着科技的不断进步与发展，催化化学一直是研究领域的一大热点，其关键在于将新生的微纳米材料运用到一系列的化学变化研究中。研究发现，催化材料的微观形貌对催化反应的活性和选择性均有着强烈的影响，例如，Co3O4纳米材料常用于催化CO氧化[1,2]、烃类燃烧[3]，其催化性能大都与Co3O4粒子尺寸有关；直径为200 nm，长为30~40 μm的CeO2纳米管催化CO氧化的反应速率(200 ℃)是其纳米粒子的400倍[4]。 近年来，科研人员对纳米材料形貌的可控合成及其催化活性方面的研究进行了大量的实验探究，在获得形貌规整、粒径均匀的微纳米粉体基础上，使其独特的形貌效应、结构效应在实际技术中得到应用，一直是各研究领域的重要研究方向。而复合多级结构作为纳米材料的一种经典构型深受关注。 复合多级结构一般由中心的核以及包覆在外部的壳组成。外壳部分可由多种材料组成，包括有机高分子、无机物等。复合多级结构一般为圆形粒子，也可以是其它形状，往往需要借助于实验条件的可控性制备不同形貌的结构，达到不同的催化效应。 CuO、CeO2均为重要稀土金属化合物，凭借其小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等，在磁学、光学、电学、敏感性等方面表现出较好的特性，尤其在催化领域，更具有独特的性质和优点。例如，对CO的催化氧化既具有较高的选择性，又可在低温下氧化。因而得到了广泛的认可，成为催化研究中的焦点。基于此，本文通过水热法制备出CuO微球，在具有多级结构的CuO微球的表面，通过吸附-沉淀法得到CuO-CeO2复合多级结构微球，综合了二者在催化方面的有点，相互补充了其单独一种使用时的不足之处。 1 文献综述 1.1 氧化铈的制备与应用 1.1.1氧化铈的结构特征 CeO2是一种略带黄色的疏松粉末，无毒无臭，熔点2600 ℃；具有萤石型(CaF2)晶体结构，属于立方晶系。由于Ce具有+3和+4两种化合价，其氧化物呈现出独特的结构从而受到人们的广泛关注。CeO2的萤石结构如图2-1所示。在这种结构中，Ce4+按面心立方排列，O2-占据由Ce4+构成的全部四面体空隙，每个Ce4+被8个O2-包围，而每个O2-则有4个Ce4+配位。即使在缺氧的情况下，其萤石型晶体结构仍保持不变[1,2]。 图2-1萤石型结构的CeO2面心晶胞 Fig.2-1 Face-centered crystal cell of CeO2 with the fluorite structure 1.1.2氧化铈的制备方法 获得CeO2微纳米晶体的方法有很多，依据原材料的不同状态，通常将制备方法分成气相法、液相法和固相法三类。 1.1.2.1气相法 气相法[5]是指利用气体或者通过转化得到的气体，使化学或物理反应在气态下发生，最终使产生的晶核在冷却的过程中，生长、凝聚产生微纳米粉体的一种方法。气相法的优点是反应速度快，可在工业上进行连续操作，制造的纳米粉体纯度高、分散性好、表面催化活性高，可以制备出其他方法难以制得的金属氮化物、硼化物等非氧化物粉体；缺点是由于反应物是气态的，不易控制，反应需要在较高的温下迅速完成，要在极短的时间内使反应物料分子均匀混合，这就造成设备昂贵、操作复杂、普及性差。因此，气相法合成纳米粉体的技术还不够成熟，实用性不强，仅限于理论研究，还不能形成规模化生产方式，仍需要更大的努力去研究和完善。目前根据温度变化的原理，气相法可分为气体冷凝法、加热蒸发法、化学气相沉积法等。 1.1.2.2 固相法 固相法是指通过机械力的作用，使材料原本的结构性能发生变化，作用于内部分子原子之间，通过反应生成先驱物，再高温分解或改性得到目标粉体的方法。一般认为固相反应经历四个阶段：反应物扩散—反应—成核—生长。当成核速度大于生长率时，新形成的晶核来不及在表面沉积或者聚集，这是往往生成细小的纳米颗粒；当生长率大于成核速度时，新生成的晶核符合Ostwald熟化原理，有长时间的缓慢生长的过程，小颗粒逐渐聚集生成较大晶粒。固相法的缺点是得到的晶体粒度分布大，形貌不规整、纯度不高。根据操作过程中反应物分子作用力的不同，固相法通常涵盖固相反应法、共熔融-热分解法、高能球磨法等。 1.1.2.3 液相法 液相法是指经过控制液相体系中的化学反应条件，如原料浓度、反应时间、水解速率、共沉淀方式等产生前驱物的方法。液相是介于气相和固相之间的状态，它具备气相法所没有的反应装置简单、无需高真空等严格的客观条件等优点，同时又具备固相法所没有的粉体晶型单一、团聚量少，易实现工业化运用，是当前制备微纳米粉体最常用的