过渡金属氧化物多级结构的制备与尺寸调控.docx

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1、过渡金属氧化物多级结构的制备与尺寸调控多级结构是指由纳米尺度的结构单元形成的具有特定尺寸和形貌的复杂结构。过渡金属氧化物多级结构由于其独特的形貌、结构和性能,近年来引起人们广泛的关注。针对过渡金属氧化物多级结构制备过程中存在的结构容易坍塌、形貌容易变化和尺寸难以控制等问题,本论文开展了过渡金属氧化物多级结构的湿化学法制备研究。通过溶胶-凝胶法和水热/溶剂热法等湿化学法,获得了一系列第一过渡系金属氧化物多级结构,并阐明了其中的制备机理,为过渡金属氧化物多级结构在光催化、能量存储与转换和污水处理等领域

2、的应用打下基础。本论文围绕第一过渡系金属氧化物,通过溶胶-凝胶法和水热/溶剂热法获得了TiO2介孔结构、TiO2微球、海绵状Mn3O4、ZnO中空微球、镍羟基化合物花状结构和α-Fe2O3介观晶体等多级结构,并对这些结构进行了尺寸调控研究。主要结果如下。首先,利用溶胶-凝胶过程获得了TiO2介孔结构和TiO2微球,研究了模板剂对多级结构的影响。采用聚氧乙烯月桂醚(Brij-35)模板剂获得了高度结晶的Ti02介孔结构。随着Brij-35量的增加,样品的孔径分布变宽。具有大孔径和宽孔径分布的样品表现

3、出更高的光催化活性。同时采用十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)获得了介孔TiO2。基于酯消除机理通过一种简单的非水溶胶-凝胶过程获得了在0.3-3μm范围内尺寸可调的TiO2微球。Ti02微球的尺寸可以通过甲醇在溶剂中的比率来控制。随着甲醇量的增加,Ti02微球的尺寸迅速减小。CTAB也可用于控制TiO2微球的尺寸。随着CTAB量的增加,TiO2微球的尺寸迅速下降。第二,通过水热或溶剂热过程获得了海绵状Mn3O4、ZnO中空微球、镍羟基化合物花状结构和α-Fe203介观晶体。研究了前驱体到相应过渡金

4、属氧化物之间的转变过程。甲酸锰是一种金属有机框架材料。通过甲酸锰在200℃下的热分解获得了由Mn304纳米晶组成的海绵状Mn3O4多级结构。海绵状Mn3O4多级结构基本保留了甲酸锰前驱体的形貌。溶剂热过程可用于控制海绵状Mn3O4结构的形貌。通过较长时间的溶剂热处理获得了大尺寸的呈现晶体学对称性的海绵状结构。甲酸锌中的锌离子具有两种不同的晶体学位置。通过化学反应引起的自转变过程获得了新颖的ZnO中空微球,ZnO微球具有双层结构,大晶体位于微球外层,小晶体位于微球内层。ZnO微球的尺寸受甲酸浓度的影

5、响。ZnO微球中的两种尺寸的晶体与甲酸锌中锌离子的两种晶体学位置有关。碱式氯化镍和p-Ni(OH)2都具有层状的水镁石晶体结构。采用简单无模板溶剂热过程获得了碱式氯化镍花状微球。碱式氯化镍花状微球是由随机取向的褶皱纳米片组成的。随着反应时间的增加,碱式氯化镍晶粒尺寸变小,花状微球中的纳米片变薄。采用高浓度的KOH溶液处理碱式氯化镍花状结构获得了β-Ni(OH)2花状微球。较高浓度KOH获得的β-Ni(OH)2花状微球表现出较好的电化学性能,而较低浓度KOH获得的β-Ni(OH)2花状微球表现出更好

6、的酸性品红吸附性能。β-FeOOH晶体结构中含有Cl-填充的隧道状空穴。在水热/溶剂热过程中通过β-FeOOH的转变获得了准立方α-Fe2O3介观晶体和纺锤形α-Fe2O3介观晶体。准立方颗粒的尺寸可以通过乙醇/水的比例控制。随着乙醇量的增加,准立方介观晶体的尺寸从0.55增加到1.5μm,而且没有失去材料内部的有序的介观结构。在乙二醇的条件下获得了纺锤形α-Fe203介观晶体。纺锤形颗粒的尺寸受KOH和甲酸浓度的影响。