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三维有序大孔稀土金属氧化物的可控制备与表征

作　者: 张晗
导　师: 戴洪兴
学　校: 北京工业大学
专　业: 化学工程与技术
关键词: 三维有序大孔材料 双模板合成法 稀土氧化物 低温还原性 光性能
分类号: O611.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


稀土氧化物(CeO2、Eu2O3、Sm2O3、Pr6O11和Tb4O7)因其独特的4f电子层,可作为催化材料广泛应用于化学和石油工业,另外还可用作光学材料和磁性材料等。而大孔-介孔双模孔结构的材料具有二维或三维的大孔和介孔结构,高比表面积和大孔容,这些特征使具有介孔孔壁的三维有序大孔（3DOM）稀土氧化物在物理和化学领域具有更高的应用价值。本文研究工作采用聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）微球作为硬模板,三嵌段共聚物EO106PO70EO106（Pluronic F127）、十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）或聚乙二醇（PEG）作为软模板剂,采用双模板法成功地合成出具有蠕虫状介孔孔壁的3DOM CeO2;以PMMA为硬模板,F127、蔗糖或L-赖氨酸为软模板剂合成具有蠕虫状介孔孔壁的3DOM Eu2O3、3DOM Sm2O3、3DOM Pr6O11和3DOM Tb4O7。利用X-射线衍射（XRD）、热重分析与差热分析（TGA/DSC）、氮气吸附-脱附（BET）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、选区电子衍射（SAED）、紫外-可见光谱（UV-vis）、傅立叶变换红外光谱（FT-IR）、荧光光谱（PL）、X-射线光电子能谱（XPS）和程序升温还原（TPR）等技术对这些具有3DOM结构的产物的物化性质进行表征。通过对比可发现:（1）具有蠕虫状介孔孔壁的3DOM CeO2样品,其大孔孔径为50200 nm,孔壁由粒径为410 nm的纳米粒子堆积而成,介孔孔径为25 nm。CeO2-F127的比表面积和孔容最大,分别为60.5 m2/g和0.31 cm3/g。（2）具有蠕虫状介孔孔壁的3DOM Eu2O3和3DOM Sm2O3样品,大孔孔径为130160 nm,介孔孔径为310 nm。Eu2O3-Sucrose和Sm2O3-Sucrose具有最高的比表面积分别为36.8 m2/g和32.6 m2/g,孔容分别为0.21 cm3/g和0.29 cm3/g。（3）具有蠕虫状介孔孔壁的3DOM Pr6O11和3DOM Tb4O7样品,介孔孔径为28 nm,大孔孔径为130150 nm。Pr6O11-F127和Tb4O7-F127比表面积最大分别为32.0 m2/g和25.2 m2/g,孔容分别为0.30 cm3/g和0.27 cm3/g。研究发现,软模板剂种类、溶剂组成和焙烧条件等对3DOM产物结构均有重要影响。表征结果表明,所得具有3DOM结构的CeO2、Eu2O3、Sm2O3、Pr6O11和Tb4O7样品为单相的立方多晶材料,具有高度有序的3DOM结构和介孔孔壁,引入软模板（表面活性剂）可提高3DOM样品的比表面积。由UV-vis和PL结果看出,与无孔样品对比,3DOM Eu2O3和3DOM Sm2O3样品具有更加优异的紫外-可见光吸收性能,并由于大孔和介孔孔壁结构而使其光性能得到改良。H2-TPR结果表明,3DOM稀土氧化物的低温还原性能远远优于对应的体相样品,其中CeO2-F127、Pr6O11-F127和Tb4O7-F127在各自系列中具有最好的低温还原性,其相应的表面氧空位密度也最高。3DOM稀土氧化物独特的孔结构和物化性质使其在多相催化和光学领域有更广泛的应用。

全文目录


摘要  4-6
Abstract  6-10
第1章 绪论  10-20
  1.1 引言  10-12
    1.1.1 稀土材料简介  10-11
    1.1.2 纳米稀土材料的合成  11-12
  1.2 三维有序大孔材料及其制备方法  12-17
    1.2.1 三维有序模板的制备  13
    1.2.2 三维有序大孔材料的合成  13-17
  1.3 研究意义及内容  17-18
    1.3.1 研究意义  17-18
    1.3.2 研究内容  18
  1.4 课题来源  18-20
第2章 实验部分  20-28
  2.1 化学试剂和实验仪器  20-21
    2.1.1 化学试剂和气体  20-21
    2.1.2 主要实验仪器  21
  2.2 硬模板的制备  21-22
  2.3 3DOM 稀土金属氧化物的制备  22-25
    2.3.1 双模板法合成具有介孔孔壁的3DOM Ce0_2  22-23
    2.3.2 双模板法合成具有介孔孔壁的3DOM Eu_20_3  23
    2.3.3 双模板法合成具有介孔孔壁的3DOM Sm_20_3  23-24
    2.3.4 双模板法合成具有介孔孔壁的3DOM Pr_60_(11)  24
    2.3.5 双模板法合成具有介孔孔壁的3DOM Tb_40_7  24-25
  2.4 表征方法  25-28
    2.4.1 X 射线衍射（XRD）分析  25
    2.4.2 热重/差热（TGA/DSC）分析  25-26
    2.4.3 红外光谱（FT-IR）分析  26
    2.4.4 扫描电子显微镜（SEM）分析  26
    2.4.5 透射电子显微镜（TEM/SAED）分析  26
    2.4.6 比表面积（BET）分析  26
    2.4.7 紫外-可见光谱（UV-Vis）分析  26
    2.4.8 激光拉曼光谱（Laser Raman）分析  26-27
    2.4.9 氢气程序升温还原（H2-TPR）分析  27-28
第3章 具有介孔孔壁的3DOM Ce0_2的制备与表征  28-36
  3.1 引言  28
  3.2 具有蠕虫状介孔孔壁的3DOM Ce0_2的制备及表征  28-35
    3.2.1 晶体结构  28-30
    3.2.2 样品形貌、孔结构和比表面积  30-33
    3.2.3 氧物种、铈氧化态和氧空位密度  33-34
    3.2.4 还原性能  34-35
  3.3 本章小结  35-36
第4章 具有介孔孔壁的3DOM Eu_20_3和3DOM Sm_20_3的制备与表征  36-48
  4.1 引言  36
  4.2 具有蠕虫状介孔孔壁的3DOM Eu_20_3和Sm_20_3的制备及表征  36-46
    4.2.1 晶体结构  36-39
    4.2.2 样品形貌、孔结构和比表面积  39-43
    4.2.3 光学性能  43-46
  4.3 本章小结  46-48
第5章 具有介孔孔壁的3DOM Pr_60_(11)和3DOM Tb_40_7的制备与表征  48-60
  5.1 引言  48
  5.2 具有蠕虫状介孔孔壁的3DOM Pr_60_(11)和Tb_40_7的制备及表征  48-58
    5.2.1 晶体结构  48-50
    5.2.2 样品形貌、孔结构和比表面积  50-54
    5.2.3 氧物种、镨或铽氧化态和氧空位密度  54-56
    5.2.4 还原性能  56-58
  5.3 本章小结  58-60
结论及展望  60-62
参考文献  62-70
攻读硕士学位期间所发表的学术论文和申请的专利  70-72
致谢  72

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中图分类: > 数理科学和化学 > 化学 > 无机化学 > 化学元素与无机化合物 > 无机合成化学
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