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本论文分别采用水热法、溶剂热法和氧化还原法制备了新型纳米材料,六方相和单斜相LaPO4、CePO4和NdPO4纳米线、六方相LaF3纳米薄片和四方相AgCuSe纳米棒;采用共沉淀法制备了复合氧化物及其介孔复合体,研究了纳米粉体材料和介孔复合体在卷烟降焦减害中的应用。论文的主要工作总结如下:
采用水热法合成了六方相和单斜相LaPO4、CePO4、NdPO4纳米线。产物经X射线衍射、透射电子显微镜、选区电子衍射、高分辨透射电子显微镜和X射线光电子能谱等表征。产物纳米线的直径为5nm-50nm,长度达几微米。
研究了溶液的pH值对稀土正磷酸盐形貌的影响。当pH<1.0时,产物的形貌是长的纳米线,但pH值超过这个范围时,只生成短的纳米棒。其主要原因可能是:随着溶液的pH值降低,白色沉淀逐渐溶解,Ln3+和HnPO4(3-n)-浓度增大、化学势增高、离子运动速率增大。当pH<1.0时,沉淀完全溶解,形成澄清无色的溶液,此时其化学势和离子运动速率达到最大,这有利于一维纳米线的生长。
从晶体结构方面讨论了稀土正磷酸盐纳米线的生长机理。六方相稀土正磷酸盐晶体结构中沿c轴方向存在着层状结构,所以晶体沿c轴方向生长时会释放出更多的能量,体系趋于更稳定。因此六方相稀土正磷酸盐晶体会沿着[0001]方向生长成纳米线。与六方相类似,单斜相稀土正磷酸盐晶体结构中存在着平行于c轴的LnO9-PO4链,这可能是单斜相稀土正磷酸盐沿[001]方向生长的原因。此外,单斜相稀土正磷酸盐纳米线还可以直接由相应的六方相稀土正磷酸盐经原位相转化获得,这已得到溶剂热晶化法和高温退火法的验证。
采用溶剂热法制备了新型LaF3纳米薄片,产物经X射线衍射、透射电子显微镜、选区电子衍射、高分辨透射电子显微镜和X射线光电子能谱等表征。讨论了溶剂对产物形貌的影响,结果表明:当溶剂有配位作用时,产物为无规则薄片,当溶剂没有配位作用时,产物为球形纳米颗粒。
采用氧化还原法在室温下制备了新型AgCuSe三元纳米棒,产物经X射线衍射、透射电子显微镜、选区电子衍射、高分辨透射电子显微镜和X射线光电子能谱等表征。结果表明:产物是四方相AgCuSe纳米棒,其直径为5nm-20nm,长度为200nm-600nm,产物的纯度很高,没有单质Ag、Cu等杂质。应用化学热力学原理讨论了产物AgCuSe的生成机理。热力学计算表明:在无水乙二胺反应体系中最终产物是纯AgCuSe。另外,还讨论了AgCuSe纳米棒的可能生长机理。溶剂乙二胺作为配体,不仅与Ag+和Cu+形成稳定的配合物,而且还能溶解金属硒、增强硒的反应活性。乙二胺在控制AgCuSe的成核和纳米棒生长中起着重要的作用。
选择现有纳米粉体材料Al2O3、SiO2和TiO2,分别采用干法和湿法添加到烟丝和滤嘴中,研究其对烟气焦油和烟碱释放量的影响。结果表明:纳米材料干法加到滤嘴中的效果最好,干法加到烟丝中的效果较好,湿法加入的效果不明显。采用共沉淀法制备了复合氧化物CuO/Mn3O4及其介孔复合体。进行了复合氧化物的制备条件试验,确定了较佳条件为:Mn:Cu2:1,NaOH溶液(25%w/w)6mL,不陈化,干燥温度90℃,煅烧温度200℃,煅烧时间3h。复合氧化物、介孔固体和介孔复合体经X射线衍射和高分辨透射电子显微镜表征。介孔固体和介孔复合体的比表面和孔径分布用氮气吸附法测定。复合氧化物和介孔复合体的催化活性和稳定性用小型固定反应床和在线气相色谱进行评价。结果表明:复合氧化物已经被组装到介孔固体的孔中,复合氧化物为纳米粒子,平均粒径约为4nm,介孔复合体具有较高的催化活性和稳定性。将介孔复合体添加到滤棒中制成二元复合滤棒,并用此滤棒卷制卷烟。经分析,与对照卷烟比较,两种样品卷烟烟气焦油、烟碱、CO、苯并[α]芘和烟草特有亚硝胺总量分别降低了21.4%和27.2%、19.3%和27.7%、23.0%和23.8%、18.4%和30.1%、30.2%和33.1%。介孔复合体降焦减害效果显著,为拓展纳米材料应用范围和开发低焦油低危害中式卷烟探索了一条新的实用途径。