過渡金屬氧化物納米結(jié)構(gòu)的制備及其性能研究.pdf

1、過渡金屬氧化物納米材料具有豐富、獨(dú)特的物理化學(xué)性能，因而在催化、光催化、探測(cè)、光電器件、能源存儲(chǔ)等領(lǐng)域都有廣闊的應(yīng)用潛力，因此吸引了世界范圍內(nèi)眾多學(xué)者的研究興趣。而且由于納米材料的形貌與其性能有著非常重要的聯(lián)系，因此，對(duì)納米材料形貌的可控合成以及機(jī)理探索是當(dāng)今納米科學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)核心工作，具有重要的科學(xué)與工程意義。
　　本文，通過簡(jiǎn)單的制備方法，分別合成了低維的Mn3O4以及CuO納米材料。通過探索反應(yīng)條件對(duì)最終產(chǎn)物的影響，揭示了形

2、貌控制的科學(xué)機(jī)理。同時(shí)，通過對(duì)材料相關(guān)物理化學(xué)性能的研究，總結(jié)了結(jié)構(gòu)與性能之間的聯(lián)系，為提高其性能提供了基礎(chǔ)，具有重要的指導(dǎo)意義。具體內(nèi)容如下:
　　1、通過控制合適的合成條件（氣氛、反應(yīng)物等），在常溫水溶液中制備出了單晶胞厚度的Mn3O4超薄納米片，其厚度在1nm左右，橫向尺寸在微米級(jí)，展示了非常高的長(zhǎng)徑比。磁學(xué)性能研究結(jié)果表明:該Mn3O4超薄納米片具有低的居里溫度Tc(39.5 K)、低的阻塞溫度TB(38 K)、低的飽和磁

3、化強(qiáng)度Ms(20emu/g)以及高的矯頑力Hc(5800 Oe)，體現(xiàn)了明顯的形貌、尺寸效應(yīng)。
　　2、通過熱分解法實(shí)現(xiàn)Cu(OH)2納米線結(jié)構(gòu)的拓?fù)滢D(zhuǎn)換，獲得了超細(xì)的CuO納米線，其直徑在3nm左右，長(zhǎng)度達(dá)到微米級(jí)，有非常高的長(zhǎng)徑比。而超細(xì)納米線作為鋰離子電池負(fù)極材料具有擴(kuò)散距離短，比表面積大等特點(diǎn)，所制備的CuO超細(xì)納米線表現(xiàn)出良好的鋰離子電池負(fù)極材料的電化學(xué)性能。在0.1C的充放電電流密度下經(jīng)過20次循環(huán)后，其放電容量能保持

4、在500 mAh/g。
　　3、通過引入異質(zhì)金屬離子實(shí)現(xiàn)了對(duì)CuO納米材料的形貌從二維納米片到三維納米顆粒的調(diào)節(jié)。并對(duì)其調(diào)節(jié)機(jī)理作了深入的研究，發(fā)現(xiàn):(1)異質(zhì)金屬離子的加入對(duì)最終產(chǎn)物物相的影響:在加入異質(zhì)金屬離子后，最終的產(chǎn)物由異質(zhì)金屬氫氧化物M(OH)n與Cu(OH)2的溶解度決定，當(dāng)M(OH)n的溶解度大于Cu(OH)2的溶解度時(shí)，最終的產(chǎn)物為CuO。當(dāng)M(OH)n的溶解度小于Cu(OH)2的溶解度時(shí)，最終的產(chǎn)物為異質(zhì)金屬M(fèi)

5、的相關(guān)化合物;(2)異質(zhì)金屬離子對(duì)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的調(diào)節(jié)機(jī)理:異質(zhì)金屬M(fèi)n+離子通過與水溶液中的OH-以及AE形成各種形式的配合物中間體，實(shí)現(xiàn)對(duì)溶液中和OH-離子濃度的調(diào)節(jié)，從而影響了反應(yīng)速率，進(jìn)一步對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物的形貌進(jìn)行影響;(3)異質(zhì)金屬M(fèi)n+離子對(duì)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的影響程度:異質(zhì)金屬M(fèi)n+離子能夠使反應(yīng)放慢的程度由其相應(yīng)的氫氧化物M(OH)n的穩(wěn)定性決定。M(OH)n的穩(wěn)定性越高，其釋放OH-離子的速率越慢，最終的反應(yīng)速率也就越慢，反之也成立;

6、(4)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)對(duì)最后產(chǎn)物的形貌的影響:反應(yīng)速率越快，最后得到的產(chǎn)物為長(zhǎng)軸與短軸長(zhǎng)度比越大的橢圓形CuO納米片，反應(yīng)速率越慢，最后得到的產(chǎn)物為球形納米顆粒;
　　4、通過常溫水溶液法合成了介孔CuO納米片，該納米片具有以下結(jié)構(gòu)特征:大的比表面積以及多孔結(jié)構(gòu)。而且該介孔CuO納米片表現(xiàn)出非常好的CO氧化反應(yīng)催化活性，在200℃的反應(yīng)溫度時(shí)，CO氧化轉(zhuǎn)化速率達(dá)到47.77mmolcog-1 cath-1，為商業(yè)化CuO粉末的CO氧化反