生物模板法合成分級(jí)結(jié)構(gòu)氧化鈰材料及其催化性能研究.pdf

1、氧化鈰作為用途較廣泛的稀土氧化物材料之一,因其獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)、較高的儲(chǔ)放氧能力和較強(qiáng)的氧化-還原性能,在催化、儲(chǔ)氧、氧傳感器以及固體燃料電池等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。氧化鈰的上述物理、化學(xué)性能很大程度上依賴于本身的微觀結(jié)構(gòu),如微觀形貌、比表面積、介觀尺度等。具有分級(jí)孔結(jié)構(gòu)的納米氧化鈰不僅能很好的滿足新材料對(duì)自身微觀結(jié)構(gòu)的要求,同時(shí)也可以提高材料的氧缺陷含量和催化活性,因此研究制備此類材料具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
　　 利用常規(guī)方法很

2、難實(shí)現(xiàn)對(duì)分級(jí)結(jié)構(gòu)材料的設(shè)計(jì)、構(gòu)建和制備,目前對(duì)該類材料的研究較少。自然界經(jīng)過上億年的進(jìn)化,為我們提供了豐富的具有多樣復(fù)雜結(jié)構(gòu)的生物體,且很多生物體經(jīng)過進(jìn)化已具有了精細(xì)分級(jí)結(jié)構(gòu)。因此本文設(shè)想以具有分級(jí)精細(xì)結(jié)構(gòu)的自然生物體為基礎(chǔ),對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行復(fù)制,合成具有精細(xì)分級(jí)結(jié)構(gòu)的新型功能材料。
　　 本文采用仿生法,利用自然界中廉價(jià)、易得的竹葉、魚鱗、油菜花粉為模板,以硝酸鈰為鈰源,制備得到具有特殊規(guī)整形貌的分級(jí)多孔氧化鈰材料。考察了模板與硝

3、酸鈰配比、硝酸鈰與六次甲基四胺(HMT)摩爾比、反應(yīng)時(shí)間、煅燒溫度、煅燒時(shí)間等對(duì)材料形貌和性能的影響規(guī)律,確定了最優(yōu)制備工藝。以酸性品紅為模擬印染廢水,對(duì)制備材料進(jìn)行催化性能測試,探討在復(fù)制生物體分級(jí)精細(xì)結(jié)構(gòu)的前提下,所制備氧化鈰材料的催化反應(yīng)活性。
　　 通過熱重分析(TGA)來確定樣品的最佳煅燒溫度;采用N2吸脫附儀,在77K下測定樣品的吸脫附等溫線,通過BET方程計(jì)算樣品比表面積,用BJH擬合吸附等溫線得到樣品的孔徑分布曲

4、線;并采用SEM、TEM、XRD等手段對(duì)樣品形貌和晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。結(jié)果表明,當(dāng)煅燒溫度為550℃時(shí),能夠完全去除原始模板,并且較好保留了原模板的形態(tài)特征,得到了具有分級(jí)精細(xì)結(jié)構(gòu)的氧化鈰材料。材料由面心立方螢石結(jié)構(gòu)的氧化鈰晶體顆粒堆積形成,晶粒大小約為5nm,材料具有豐富的孔道結(jié)構(gòu),其介孔孔徑集中分布于2～5nm。材料具有較大的比表面積,三種不同形貌氧化鈰材料的比表面積分別為162m2/g,63m2/g和168m2/g。調(diào)節(jié)沉淀劑HMT

5、和鈰鹽的摩爾比,能夠?qū)崿F(xiàn)原模板微觀結(jié)構(gòu)的精確復(fù)制。
　　 采用XPS和EDS對(duì)樣品表面的元素組分進(jìn)行定性定量分析,結(jié)果表明,生物模板中含有的大量含氮官能團(tuán),易于實(shí)現(xiàn)所制備氧化鈰材料的生物氮摻雜,從而大大的提高材料中氧缺陷的含量,使材料中具有大量氧空位。另外,H2-TPR測試結(jié)果表明,三種含有豐富多孔結(jié)構(gòu)的氧化鈰材料體相氧活性和氧擴(kuò)散能力均有較大提高,進(jìn)而大大提高了材料的氧儲(chǔ)存能力。@2考察了三種不同仿生形態(tài)氧化鈰材料對(duì)模擬酸性品