铁系氧化物纳米材料的溶液燃烧法合成及催化性能研究

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近年来,铁系氧化物纳米材料由于其特殊的理化性能而在催化领域有十分广泛的应用。为了合成具有不同尺寸及形貌的铁系氧化物纳米材料,科研工作者们已发展了许多方法,如:水热/溶剂热法、溶胶-凝胶法、微乳液法、球磨法、超声制备法等。然而,这些合成方法通常需要复杂的仪器和严苛的实验条件,并且部分实验会产生有毒的副产物,势必对环境造成污染。本文使用一种简单的溶液燃烧法合成铁系金属氧化物,并探究了其在催化领域的应用。该方法使用铁系金属盐类作为金属源、空气中的氧气作为氧源、无水乙醇作为溶剂,通过燃烧金属盐的醇溶液制得金属氧化物。这种方法简单高效、价格低廉,且其副产物仅为水和二氧化碳,所以是一种环境友好的合成方法。主要内容概括如下:  1、以NiCl2作为镍源,空气中的氧气作为氧源,无水乙醇作为溶剂,通过溶液燃烧法一步合成了Ni-NiO@C核壳纳米复合材料。研究显示,所得产物的BET比表面积达到161.9 m2 g-1,远远超过Ni-NiO纳米复合材料的比表面积(34.2 m2 g-1)。表明碳层的存在显著提高了最终产物的比表面积。电化学测试发现,所得复合材料能被用作催化甲醇电化学氧化的电极材料,并表现出比Ni-NiO和NiO更好的催化活性和循环稳定性。在0.7 V的电压下,分别用Ni-NiO@C、Ni-NiO和NiO修饰的电极的电流密度依次是74 mA cm-2、53 mA cm-2和30 mA cm-2;循环2000 s后,各修饰电极的电流密度还分别保留原来的84%、67%和63%。相比于一些非贵金属催化剂,目前所得的催化剂不仅制备简单,而且还有更好的催化能力。这为实际应用中甲醇的电氧化提供了一个新的催化剂选择。  2、设计了一条两步路线,先以CoCl2作为钴源,空气中的氧气作为氧源,无水乙醇作为溶剂,通过溶液燃烧法合成了Co-CoO纳米复合材料;随后,将该产物在管式炉中300℃-600℃条件下煅烧2小时成功获得了不同组成的Co及其氧化物纳米复合材料,并研究了其催化葡萄糖无酶电化学氧化性能。实验发现,300和400℃条件下煅烧得到Co-CoO-Co3O4纳米复合材料,500℃得到CoO-Co3O4纳米复合材料,600℃得到Co3O4纳米晶。电化学结果显示,Co-CoO纳米复合材料及其煅烧产物都具有较好的电化学性能,可被用作葡萄糖无酶电化学氧化的催化剂。其中400℃条件下煅烧得到的Co-CoO-Co3O4纳米复合材料呈现出最好的电催化活性。所制备的传感器具有测试响应时间短(<1 s)、灵敏度高(949.3μA mM?1 cm?2)、检测限低(0.92μM)的特点,并有很好的选择性和稳定性。  3、以NiCl2、CoCl2和FeCl3分别作为镍源、钴源和铁源,通过调节钴源和镍源的比例,一步燃烧合成了NixCo1-xFe2O4(x=0.0,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0)纳米晶。实验显示,当x=0.6时,所得Ni0.6Co0.4Fe2O4纳米晶具有最大的比表面积。此外,所合成的NixCo1-xFe2O4纳米晶均表现出好的催化水溶液中芳香族硝基化合物如4-硝基苯酚、2-硝基苯酚、4-硝基苯胺和2-硝基苯胺还原的能力。其中,Ni0.6Co0.4Fe2O4纳米晶具有最好的催化活性。
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