過渡金屬鐵、銅氧化物納米材料的制備及催化應(yīng)用研究.pdf

1、眾所周知，當(dāng)尺寸達(dá)到納米級(jí)時(shí)(1～100nm)，材料會(huì)表現(xiàn)出與宏觀尺寸的塊體物質(zhì)不同的特殊的電、磁、光等性能。作為一類非常重要的功能材料，過渡金屬氧化物納米材料在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、分離科學(xué)、催化科學(xué)、能源開發(fā)、生物醫(yī)學(xué)、化學(xué)傳感、微波吸收、環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域具有非常廣闊的應(yīng)用前景。近年來，有關(guān)過渡金屬氧化物納米材料的制備、功能化和應(yīng)用已成為當(dāng)今納米科技領(lǐng)域最為熱門的研究課題之一。在上述背景下，本論文以環(huán)境處理和高效工業(yè)催化劑的設(shè)計(jì)及開發(fā)為目標(biāo)，以過

2、渡金屬氧化物中的鐵氧體和氧化銅為中心，主要設(shè)計(jì)和開展了下列工作:
　　 (1)以三氯化鐵為唯一鐵源、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)為表面活性劑、NaAc為沉淀劑，在乙二醇中利用溶劑熱法成功制備了由粒徑較小的Fe3O4納米晶體通過自組裝形成的尺寸在300nm左右的、具有較大比飽和磁化強(qiáng)度和較小矯頑力的多孔Fe3O4納米微球。系統(tǒng)研究了各種實(shí)驗(yàn)操作參數(shù):包括前驅(qū)體濃度、表面活性劑濃度、沉淀劑濃度、反應(yīng)溫度和反應(yīng)時(shí)間等對(duì)所形成的多孔Fe3O

3、4納米微球的形貌、尺寸的影響，并在此基礎(chǔ)上提出了在該體系中多孔Fe3O4納米微球可能的形成機(jī)理。研究了所制備的多孔Fe3O4納米微球?qū)2O2氧化降解水溶液中二甲酚橙的催化性能。結(jié)果表明:所制備的多孔Fe3O4納米微球?qū)2O2氧化降解二甲酚橙具有很好的催化性能:具有催化速度快、脫色率高等特點(diǎn);同時(shí)，由于該催化劑可以很方便的通過磁性分離進(jìn)行回收，再循環(huán)使用7次依然保持較高的催化活性。
　　 (2)以水為溶劑，采用外加還原劑NH2

4、NH2·H2O的方式，在水熱條件下成功制備了兩類鐵氧體納米材料（α-Fe2O3和Fe3O4）。系統(tǒng)研究了NH2NH2·H2O濃度對(duì)產(chǎn)品的物相構(gòu)成和形貌的影響。用H2O2氧化降解亞甲基藍(lán)(MB)為模型反應(yīng)，對(duì)比了兩種鐵氧體的催化性能，發(fā)現(xiàn)Fe3O4的催化性能明顯比α-Fe2O3好，同時(shí)從兩類材料的結(jié)構(gòu)、形貌和尺寸角度分析了催化活性差異的原因。最后，針對(duì)Fe3O4納米材料催化劑具有良好的磁響應(yīng)性能，系統(tǒng)研究了不同形貌Fe3O4納米材料催化劑

5、對(duì)H2O2氧化降解亞甲基藍(lán)的催化活性。結(jié)果表明:所制備的各種Fe3O4納米材料均具有較好的催化性能，其中控制NH2NH2·H2O用量為0.6mL，F(xiàn)eCl3為4mmol時(shí)所制備的具有一維結(jié)構(gòu)的Fe3O4納米材料催化性能最好。
　　 (3)向預(yù)先制備好的的Fe3O4納米粒子分散液中加入摻雜劑和表面活性劑十二烷基硫酸鈉(SDS)，以苯胺為單體、過硫酸鈉為引發(fā)劑，利用原位氧化聚合技術(shù)制備了一種具有核殼結(jié)構(gòu)的Fe3O4@PANI電磁雙功

6、能納米復(fù)合材料。通過研究表面活性劑種類和用量對(duì)產(chǎn)品形成的影響，提出了Fe3O4@PANI復(fù)合納米材料的形成機(jī)理。采用滴涂法制備了Fe3O4@PANI復(fù)合納米材料修飾的玻碳電極(Fe3O4@PANI/GCE)。用對(duì)乙酰氨基酚(APAP)的電催化氧化為探針反應(yīng)，研究了所制備的Fe3O4@PANI/GCE的性能。結(jié)果表明，F(xiàn)e3O4@PANI復(fù)合材料能較好的電催化APAP的氧化，可以明顯加快電極反應(yīng)電荷轉(zhuǎn)移速度，電極反應(yīng)是一個(gè)受擴(kuò)散控制的過程

7、。
　　 (4)通過兩步水熱法制備了具有核殼結(jié)構(gòu)的Fe3O4@C納米復(fù)合材料，并以該復(fù)合材料為載體，利用原位還原-沉積法成功制備了負(fù)載型Pd納米粒子催化劑(Pd/MFC)。催化劑的形貌、結(jié)構(gòu)、和磁性分別用透射電鏡(TEM)，、X-射線粉末多晶衍射(XRD)、紅外(FTIR)、X-射線光電子能譜(XPs)、振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)(VSM)等手段進(jìn)行了表征。用Suzuki和Heck偶聯(lián)反應(yīng)檢測(cè)了所制備的Pd/MFC催化劑的催化性能。研究結(jié)果

8、表明，Pd/MFC催化劑在催化反應(yīng)結(jié)束后可以很方便地利用外加磁場(chǎng)將其從反應(yīng)體系中分離出來，并可以循環(huán)使用。在循環(huán)使用5次后，其催化活性并未見明顯降低。
　　 (5)發(fā)展了一種用檸檬酸鈉為結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑、NaOH為沉淀劑的有效水熱法制備形貌為棒狀的CuO納米結(jié)構(gòu)。研究了結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑檸檬酸鈉濃度對(duì)產(chǎn)品形貌和尺寸的影響。另外，利用烯烴（環(huán)己烯和苯乙烯）的氧化反應(yīng)研究了所制備的CuO納米棒的催化性能。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn):在用該CuO納米棒作為催化劑