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《浙江大学》 2015年
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过渡金属氧化物纳米结构的制备及其性能研究

黄宏文  
【摘要】:过渡金属氧化物纳米材料具有丰富、独特的物理化学性能,因而在催化、光催化、探测、光电器件、能源存储等领域都有广阔的应用潜力,因此吸引了世界范围内众多学者的研究兴趣。而且由于纳米材料的形貌与其性能有着非常重要的联系,因此,对纳米材料形貌的可控合成以及机理探索是当今纳米科学领域的一个核心工作,具有重要的科学与工程意义。本文,我们通过简单的制备方法,分别合成了低维的Mn304以及CuO纳米材料。通过探索反应条件对最终产物的影响,揭示了形貌控制的科学机理。同时,通过对材料相关物理化学性能的研究,总结了结构与性能之间的联系,为提高其性能提供了基础,具有重要的指导意义。具体内容如下:1、通过控制合适的合成条件(气氛、反应物等),我们在常温水溶液中制备出了单晶胞厚度的Mn3O4超薄纳米片,其厚度在1 nm左右,横向尺寸在微米级,展示了非常高的长径比。磁学性能研究结果表明:该Mn3O4超薄纳米片具有低的居里温度TC(39.5 K)、低的阻塞温度TB(38 K)、低的饱和磁化强度MS(20emu/g)以及高的矫顽力HC (5800 Oe),体现了明显的形貌、尺寸效应。2、通过热分解法实现Cu(OH)2纳米线结构的拓扑转换,获得了超细的CuO纳米线,其直径在3 nm左右,长度达到微米级,有非常高的长径比。而超细纳米线作为锂离子电池负极材料具有扩散距离短,比表面积大等特点,所制备的CuO超细纳米线表现出良好的锂离子电池负极材料的电化学性能。在O.1 C的充放电电流密度下经过20次循环后,其放电容量能保持在500 mAh/g。3、通过引入异质金属离子实现了对CuO纳米材料的形貌从二维纳米片到三维纳米颗粒的调节。并对其调节机理作了深入的研究,我们发现:(1)异质金属离子的加入对最终产物物相的影响:在加入异质金属离子后,最终的产物由异质金属氢氧化物M(OH)n与Cu(OH)2的溶解度决定,当M(OH)n的溶解度大于Cu(OH)2的溶解度时,最终的产物为CuO。当M(OH)n的溶解度小于Cu(OH)2的溶解度时,最终的产物为异质金属M的相关化合物;(2)异质金属离子对反应动力学的调节机理:异质金属Mn+离子通过与水溶液中的OH以及AE形成各种形式的配合物中间体,实现对溶液中和OH离子浓度的调节,从而影响了反应速率,进一步对反应产物的形貌进行影响;(3)异质金属Mn+离子对反应动力学的影响程度:异质金属Mn+离子能够使反应放慢的程度由其相应的氢氧化物M(OH)n的稳定性决定。M(OH)n的稳定性越高,其释放OH-离子的速率越慢,最终的反应速率也就越慢,反之也成立;(4)反应动力学对最后产物的形貌的影响:反应速率越快,最后得到的产物为长轴与短轴长度比越大的椭圆形CuO纳米片,反应速率越慢,最后得到的产物为球形纳米颗粒;4、通过常温水溶液法合成了介孔CuO纳米片,该纳米片具有以下结构特征:大的比表面积以及多孔结构。而且该介孔CuO纳米片表现出非常好的CO氧化反应催化活性,在200℃的反应温度时,CO氧化转化速率达到47.77mmolcog-1 cath-1,为商业化CuO粉末的CO氧化反应催化效率的35.4倍。5、利用表面相反电荷间的静电相互作用力来制备了CuO纳米结构/CNT复合材料。相比于之前报道的方法,该方法具有环境友好、易于操作、适合大批量生产等优点。
【学位授予单位】:浙江大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:TB383.1

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