過渡金屬氧化物多級結構的制備與尺寸調控.pdf

1、多級結構是指由納米尺度的結構單元形成的具有特定尺寸和形貌的復雜結構。過渡金屬氧化物多級結構由于其獨特的形貌、結構和性能，近年來引起人們廣泛的關注。針對過渡金屬氧化物多級結構制備過程中存在的結構容易坍塌、形貌容易變化和尺寸難以控制等問題，本論文開展了過渡金屬氧化物多級結構的濕化學法制備研究。通過溶膠-凝膠法和水熱/溶劑熱法等濕化學法，獲得了一系列第一過渡系金屬氧化物多級結構，并闡明了其中的制備機理，為過渡金屬氧化物多級結構在光催化、能量存

2、儲與轉換和污水處理等領域的應用打下基礎。
　　本論文圍繞第一過渡系金屬氧化物，通過溶膠-凝膠法和水熱/溶劑熱法獲得了TiO2介孔結構、TiO2微球、海綿狀Mn3O4、ZnO中空微球、鎳羥基化合物花狀結構和α-Fe2O3介觀晶體等多級結構，并對這些結構進行了尺寸調控研究。主要結果如下。
　　首先，利用溶膠-凝膠過程獲得了TiO2介孔結構和TiO2微球，研究了模板劑對多級結構的影響。采用聚氧乙烯月桂醚(Brij-35)模板劑獲得

3、了高度結晶的TiO2介孔結構。隨著Brij-35量的增加，樣品的孔徑分布變寬。具有大孔徑和寬孔徑分布的樣品表現出更高的光催化活性。同時采用十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)獲得了介孔TiO2?；邗ハ龣C理通過一種簡單的非水溶膠-凝膠過程獲得了在0.3-3μm范圍內尺寸可調的TiO2微球。TiO2微球的尺寸可以通過甲醇在溶劑中的比率來控制。隨著甲醇量的增加，TiO2微球的尺寸迅速減小。CTAB也可用于控制TiO2微球的尺寸。隨著CTAB量

4、的增加，TiO2微球的尺寸迅速下降。
　　第二，通過水熱或溶劑熱過程獲得了海綿狀Mn3O4、ZnO中空微球、鎳羥基化合物花狀結構和α-Fe2O3介觀晶體。研究了前驅體到相應過渡金屬氧化物之間的轉變過程。甲酸錳是一種金屬有機框架材料。通過甲酸錳在200℃下的熱分解獲得了由Mn3O4納米晶組成的海綿狀Mn3O4多級結構。海綿狀Mn3O4多級結構基本保留了甲酸錳前驅體的形貌。溶劑熱過程可用于控制海綿狀Mn3O4結構的形貌。通過較長時間的

5、溶劑熱處理獲得了大尺寸的呈現晶體學對稱性的海綿狀結構。甲酸鋅中的鋅離子具有兩種不同的晶體學位置。通過化學反應引起的自轉變過程獲得了新穎的ZnO中空微球，ZnO微球具有雙層結構，大晶體位于微球外層，小晶體位于微球內層。ZnO微球的尺寸受甲酸濃度的影響。ZnO微球中的兩種尺寸的晶體與甲酸鋅中鋅離子的兩種晶體學位置有關。堿式氯化鎳和β-Ni(OH)2都具有層狀的水鎂石晶體結構。采用簡單無模板溶劑熱過程獲得了堿式氯化鎳花狀微球。堿式氯化鎳花狀微

6、球是由隨機取向的褶皺納米片組成的。隨著反應時間的增加，堿式氯化鎳晶粒尺寸變小，花狀微球中的納米片變薄。采用高濃度的KOH溶液處理堿式氯化鎳花狀結構獲得了β-Ni(OH)2花狀微球。較高濃度KOH獲得的β-Ni(OH)2花狀微球表現出較好的電化學性能，而較低濃度KOH獲得的β-Ni(OH)2花狀微球表現出更好的酸性品紅吸附性能。β-FeOOH晶體結構中含有Cl-填充的隧道狀空穴。在水熱/溶劑熱過程中通過β-FeOOH的轉變獲得了準立方α-