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本论文研究了碳酸钙、稀土碱式碳酸盐和二氧化铈微/纳米结构的合成和形貌控制。
碳酸钙微/纳米材料引起人们极大的关注是因为它有很多重要的应用。在工业上,碳酸钙是一种重要的无机填料,广泛应用于建材、塑料、橡胶、造纸、涂料、油墨、日化、饲料、食品、医药等行业;另外,碳酸钙的形貌控制是生物矿化过程中的重要课题,使得碳酸钙成为实验室内广泛研究的矿物。碳酸钙主要有三种结晶态,包括方解石、球霰石、文石;其中球霰石最为不稳定,在生物体系和非生物体系都较少存在。但是,与另外两种晶态相比,球霰石具有溶解度高、分散性好以及比重小等特性,使得它具备很多潜在的应用价值。但是,由于球霰石与水接触,很快就转变为热力学稳定状态一方解石,所以它只能在特定的条件下,有特定的添加剂的情况下才能得到。文献报道一般使用价格较为昂贵,结构复杂的枝状大分子或是双亲基共聚物,或是这些化合物和不同的表面活性剂的组合,或者采用微乳液法来实现碳酸钙材料的形貌及晶型控制。由于Ca2+离子和CO32-离子在室温就可以结晶形成CaCO3,因此文献报道有关CaCO3的制备一般都是在室温进行的,有关温度对CaCO3晶型和形貌的影响很少有报道。研究表明温度对CaCO3晶型和形貌有很大的影响。
本论文第二章中,我们采用微波辅助法,在水和乙二醇的混和溶剂中,通过改变反应时间、反应温度、表面活性剂以及水和乙二醇的比例来实现对碳酸钙的形貌和晶型的控制。使用SDS作为表面活性剂,通过改变反应时间,分别得到了双锥形、“匕首状”球霰石:表面活性剂对碳酸钙的形貌影响很大,当表面活性剂为SDS时,我们得到了“匕首状”球霰石,但是使用相同摩尔量的CTAB作表面活性剂时,却得到了均一的由球霰石纳米颗粒自组装成的微米球;当SDS的量改变时,球霰石的形貌也会随之发生很大的变化,从原来的“匕首状”转化成梭形。还发现微波加热对这些形貌的形成起了极为重要的作用,相同的反应条件,如果采用油浴加热或是在室温反应,则会得到完全不同的形貌,且形成的碳酸钙结晶不好,形貌很不规则。对不同条件下得到的产物的热性能分析表明,不使用表面活性剂或者使用一定量的CTAB作为表面活性剂时得到的样品在加热到一定温度时会出现球霰石到方解石的相变峰:而使用相同量的SDS作为表面活性剂或者CTAB的量增加一倍时所得到的样品热稳定性非常好,即使加热到分解温度也不会发生相变。
另外采用超声法成功合成了多种稀土碱式碳酸盐微/纳米棒。
由于在发光材料、显示器、红外窗口等方面具有广泛的应用,稀土化合物引起了人们极大的关注。特别是氧化铈以及铈的化合物,在作为催化剂处理废气,作为氧传感器或是在燃料电池中作为固相电解质,吸收氟离子或是砷化物,过滤紫外光等方面均有极大的应用价值,更是成为了研究的热点。另外低维稀土氧化物纳米结构,鉴于其量子效应及其形貌特殊,在催化材料、发光材料领域具备极为可观的潜在应用价值。
本论文第三章中,通过简单的超声法合成了多种稀土碱式碳酸盐微/纳米棒。该反应不须加入任何模板或是晶种来控制棒状的形成,免去了后续繁琐的清除模板或是品种的过程。发展了前驱物转化法制备多晶纳米棒,为多晶纳米棒的制备和纳米粒子的一维自组装提供了一条有效的途径。以碱式碳酸铈微/纳米棒为前驱物和模板,通过热分解法在500℃空气中煅烧5h成功地制备了二氧化铈多晶微/纳米棒。