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纳米氧化铈的研究一直是纳米材料研究领域引入关注的研究课题,由于该材料在环境、生物医学、燃料电池、微电子等领域有重要的应用潜力,近年来围绕优化氧化铈纳米材料性能的研究方面已取得了不少的研究成果,其中介孔氧化铈纳米管具有较强的还原性能,在CO转换CO2,降低转变温度方面表现出优异的特性,备受人们的关注。然而,由于纳米氧化铈高表面活性常常在应用中容易发生团聚,导致纳米材料的优异性能难以发挥。为了解决这一关键问题,本论文重点研究介孔氧化铈纳米管阵列的设计与合成。本论文取得的主要成果如下:
1、采用四步法,在导电衬底FTO上实现了介孔氧化铈纳米管阵列的可控(密度、直径、长度)制备。首先采用简单的种子层低温水溶液生长法,可控制备了ZnO纳米线阵列;然后以ZnO纳米线阵列作为模板,通过连续的离子层吸附(铈源:硝酸铈,羟基源:NaOH)和350℃退火处理,制备了ZnO/多孔CeO2芯壳结构阵列;最后,用PH=2的硝酸去除芯部的ZnO纳米线,获得了介孔CeO2纳米管阵列。
2、本文采用多种结构分析手段(XRD、SEM、TEM、EDX、XPS、N2的吸附脱附实验以及热分析实验)和其他谱学手段对介孔氧化铈纳米管阵列进行了表征,揭示了介孔氧化铈纳米管阵列为中空、多孔的多晶立方萤石型结构,比表面约为109m2g-1,表面价态呈现非完整配位,Ce3+与Ce4+的比例约为1:2.
3、本文利用热分析手段(TG-DTA、DSC)系统地研究了介孔氧化铈纳米管孔洞形成的过程,在热分析谱学上观察到一个吸热峰和三个放热峰,其中吸热峰对应样品吸附水分子的受热脱附过程,第一个放热峰对应于铈的羟基氧化物受热分解,空位团聚形成介孔产生的放热过程,第二个放热峰是由于氧化铈层在275℃产生体积微收缩,第三个放热峰对应于氧化铈的烧结结晶过程。
4、以介孔氧化铈纳米管阵列作为电极,对低浓度过氧化氢进行了电化学实验,在-0.45V附近出现了较强的还原峰,证明了该体系有较强的还原能力,与前人报道的一致。介孔氧化铈纳米管的还原能力归结为表面Ce3+的存在。