过渡金属纳米氧化物及其复合材料的可控制备、生长机理与性能研究

【摘要】： 由于纳米微粒具有了量子尺寸效应,小尺寸效应,表面效应和量子隧道效应,因而展现出许多特有的性质,在催化、滤光、光吸收、医药、磁介质及新材料等方面具有广阔的应用前景。纳米二氧化钛因其具有粒径小、比表面积大、光催化、吸收性能好,吸收紫外线能力强,表面活性大、热导性好、分散性好、所制悬浮液稳定等优点,因此倍受关注,制备和开发纳米二氧化钛成为国内外科技界研究的热点。 本文中采用了的水热方法、流变相法及湿化学方法。水热法提供一个在常压条件下无法得到的特殊的物理化学环境,制备出的纳米晶,晶粒发育完整、粒度分布均匀、颗粒之间少团聚,原料较便宜,可以得到理想的化学计量组成材料,颗粒度可以控制,生产成本低。以三氯化钛为起始原料制备出了多种形貌的二氧化钛纳米/微米结构及其复合材料,对二氧化钛的制备及产物形貌、晶体结构、生长机理及光催化性能等方面作了较为详尽的研究,为纳米二氧化钛应用和进一步研究提供了可能;以湿化学法,成功制备了γ-二氧化锰/碳纳米管复合材料,其性能相比二氧化锰或碳纳米管有很大提高。 全文共分七章。第一章为绪论,介绍了本工作的来源、意义和所作的主要工作,综述了国内外在催化材料以及二氧化钛催化材料等领域的研究和现状,以及进一步发展的趋势。 在第二章详细介绍了纳米材料制备的方法,特别对水热法工作的原理及在纳米材料制备的现状作了详细的调研。第三章介绍了金红石纳米棒的低温制备,发现在较低的温度下就能够制备出结构完整的金红石二氧化钛纳米晶,无需采用煅烧等进一步热处理就可以得到结晶完好的晶体。研究了纳米棒的生长机理,揭示其沿平等于c轴方向生长,还探讨了在各种光源下的光催化效果,由于金红石二氧化钛纳米晶在较大尺寸(10nm)时,其催化能力明显弱于锐钛矿型二氧化钛纳米晶,我们的实验显示在可见光下,金红石型二氧化钛纳米晶的催化能力稍优于P25。 通过调整水热反应体系中的溶剂种类和pH的大小,即可制备出形貌、晶型和性能各异的纳米晶或三维微米结构,在第四章中对各种因素作了详尽的分析。在水醇混合溶液中,通过调节盐酸的浓度制备出金红石型二氧化钛微米级花状结构。 在第五章考察了三氯化钛在碱性环境下水解的结果。在碱性条件下所得到的产物均为锐钛矿型,并且比表面积显著提高。考察了流变相方法的可靠性,为流变相方法在纳米二氧化钛的制备中提供了一个可靠的思路。 第六章首先考察了碳纳米管/二氧化锰复合物的制备及其生长机理,其电化学性质比碳纳米管有明显的提高。后一部分通过在研究二氧化钛/二氧化锰复合物的制备及其光催化行为,二氧化锰本身的光催化行为很弱,但是得到的复合物在可见光下光催化能力得到显著提高,在前十分钟,即能降解80%,明显优于P25。