氧化铈与氧化铜微纳米结构的复合组装和性能研究毕业论文.doc

青岛科技大学本科班毕业设计(论文)前言随着科技的不断进步与发展，催化化学一直是研究领域的一大热点，其关键在于将新生的微纳米材料运用到一系列的化学变化研究中。研究发现，催化材料的微观形貌对催化反应的活性和选择性均有着强烈的影响，例如，Co3O4纳米材料常用于催化CO氧化1,2、烃类燃烧3，其催化性能大都与Co3O4粒子尺寸有关；直径为200 nm，长为3040 m的CeO2纳米管催化CO氧化的反应速率(200 )是其纳米粒子的400倍4。近年来，科研人员对纳米材料形貌的可控合成及其催化活性方面的研究进行了大量的实验探究，在获得形貌规整、粒径均匀的微纳米粉体基础上，使其独特的形貌效应、结构效应在实际技术中得到应用，一直是各研究领域的重要研究方向。而复合多级结构作为纳米材料的一种经典构型深受关注。复合多级结构一般由中心的核以及包覆在外部的壳组成。外壳部分可由多种材料组成，包括有机高分子、无机物等。复合多级结构一般为圆形粒子，也可以是其它形状，往往需要借助于实验条件的可控性制备不同形貌的结构，达到不同的催化效应。CuO、CeO2均为重要稀土金属化合物，凭借其小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等，在磁学、光学、电学、敏感性等方面表现出较好的特性，尤其在催化领域，更具有独特的性质和优点。例如，对CO的催化氧化既具有较高的选择性，又可在低温下氧化。因而得到了广泛的认可，成为催化研究中的焦点。基于此，本文通过水热法制备出CuO微球，在具有多级结构的CuO微球的表面，通过吸附-沉淀法得到CuO-CeO2复合多级结构微球，综合了二者在催化方面的有点，相互补充了其单独一种使用时的不足之处。1 文献综述1.1 氧化铈的制备与应用1.1.1氧化铈的结构特征CeO2是一种略带黄色的疏松粉末，无毒无臭，熔点2600 ；具有萤石型(CaF2)晶体结构，属于立方晶系。由于Ce具有+3和+4两种化合价，其氧化物呈现出独特的结构从而受到人们的广泛关注。CeO2的萤石结构如图2-1所示。在这种结构中，Ce4+按面心立方排列，O2-占据由Ce4+构成的全部四面体空隙，每个Ce4+被8个O2-包围，而每个O2-则有4个Ce4+配位。即使在缺氧的情况下，其萤石型晶体结构仍保持不变1,2。图2-1萤石型结构的CeO2面心晶胞Fig.2-1 Face-centered crystal cell of CeO2 with the fluorite structure1.1.2氧化铈的制备方法获得CeO2微纳米晶体的方法有很多，依据原材料的不同状态，通常将制备方法分成气相法、液相法和固相法三类。1.1.2.1气相法气相法5是指利用气体或者通过转化得到的气体，使化学或物理反应在气态下发生，最终使产生的晶核在冷却的过程中，生长、凝聚产生微纳米粉体的一种方法。气相法的优点是反应速度快，可在工业上进行连续操作，制造的纳米粉体纯度高、分散性好、表面催化活性高，可以制备出其他方法难以制得的金属氮化物、硼化物等非氧化物粉体；缺点是由于反应物是气态的，不易控制，反应需要在较高的温下迅速完成，要在极短的时间内使反应物料分子均匀混合，这就造成设备昂贵、操作复杂、普及性差。因此，气相法合成纳米粉体的技术还不够成熟，实用性不强，仅限于理论研究，还不能形成规模化生产方式，仍需要更大的努力去研究和完善。目前根据温度变化的原理，气相法可分为气体冷凝法、加热蒸发法、化学气相沉积法等。1.1.2.2 固相法固相法是指通过机械力的作用，使材料原本的结构性能发生变化，作用于内部分子原子之间，通过反应生成先驱物，再高温分解或改性得到目标粉体的方法。一般认为固相反应经历四个阶段：反应物扩散反应成核生长。当成核速度大于生长率时，新形成的晶核来不及在表面沉积或者聚集，这是往往生成细小的纳米颗粒；当生长率大于成核速度时，新生成的晶核符合Ostwald熟化原理，有长时间的缓慢生长的过程，小颗粒逐渐聚集生成较大晶粒。固相法的缺点是得到的晶体粒度分布大，形貌不规整、纯度不高。根据操作过程中反应物分子作用力的不同，固相法通常涵盖固相反应法、共熔融-热分解法、高能球磨法等。1.1.2.3 液相法液相法是指经过控制液相体系中的化学反应条件，如原料浓度、反应时间、水解速率、共沉淀方式等产生前驱物的方法。液相是介于气相和固相之间的状态，它具备气相法所没有的反应装置简单、无需高真空等严格的客观条件等优点，同时又具备固相法所没有的粉体晶型单一、团聚量少，易实现工业化运用，是当前制备微纳米粉体最常用的途径。液相法主要是指水热法、溶胶-凝胶法、微乳液法、电化学法等。1.1.2.3.1水热法水热法是液相法中合成纳米CeO2的重要途径之一，原理是在特制的密闭反应釜中，通常以水为反应环境，在高温高压等条件下制备氧化物或化合物粉体的一种化学合成方法。在水热条件下，水充当溶剂和矿化剂的角色，能够作为化学成分参加反应并加快化学反应的发生，同时增大物质的溶解度；经过调控物理化学等要素，达到对无机化合物的合成控制和改性。水热法与其他制备方法相比，有着能耗低、产物纯、团聚少、形貌可控等独特优点。且水热法可直接合成微纳米CeO2粉体12，制备的粉体一般无需烧结，这就可以防止出现在烧结过程当中晶粒团聚而且杂质易混等缺点。Tana等人13在水热条件下，利用硝酸饰和氢氧化钠制备不同形貌的纳米CeO2，通过改变反应物的浓度、反应时间，得到纳米线、纳米棒及纳米颗粒等结构。1.1.2.3.2沉淀法沉淀法是指将沉淀剂加入到溶液中，在一定的条件下生成难溶性的氢氧化物、碳酸盐、硫酸盐、草酸盐等前驱体，再将前驱物加热分解，得到纳米氧化物粉体的方法。沉淀法拥有实验装置简单、工艺流程易控、便于工业化生产等优点，能制取粒径超细的纳米粉体；不足之处在于得到的沉淀难以离心和洗涤，加入的沉淀剂容易混杂在产品对样品的纯度产生影响，不同的金属离子由于溶解度的不同，存在着非均相成核的先后沉淀问题和沉淀速率不等的问题，导致得到的产物不均匀。一般地，沉淀法包含共沉淀法、直接沉淀法、均相沉淀法等。李梅等14用尿素-水合氨共沉淀法制备了粒径约0.126 m的颗粒均匀的CeO2。其中利用尿素的水解提供一个弱的碱性环境，延缓金属离子的沉淀速率，再加入氨水来增加溶液的pH值，达到金属离子沉积完全的目的。1.1.2.3.3溶胶-凝胶法溶胶-凝胶法(Sol-Gel法，简称SG法)是指在液相环境中，将无机物或金属醇盐作原料，使之均匀混合，发生脱水缩合反应，在溶液中产生稳定、均一的溶胶系统，溶胶在奥斯特瓦尔德熟化的作用下缓慢聚合，形成纵横交错的空间结构，凝胶分子间夹杂着失去流动性的溶剂，由此产生凝胶。将凝胶干燥、焙烧、固化获得粒径细小的微纳米材料。由于前驱体的混合是在溶液中进行，短时间就可以达到纳米级甚至分子级均匀，在微观结构可调材料制备方面显示出独特的优势，具有反应条件温和、反应物种多、产物颗粒均一、纯度较高、过程易控制且易于工业化生产等特点，溶胶-凝胶法是备受重视和广泛采用的方法。采用溶胶-凝胶法不仅可制备纳米颗粒15，亦可制备纳米薄膜16和块体。董相廷17等人利用柠檬酸，水解草酸饰，制备成溶胶，经蒸发得到凝胶，并于120 干燥12 h，得到淡黄色的干凝胶，将干凝胶在不同温度下焙烧即得到不同尺寸的CeO2纳米粒子。1.1.2.3.4微乳液法微乳液法是指在表面活性剂的辅助下，将两种或两种以上互不相溶的物质混合，形成乳液，经成核、聚集、生长、焙烧得纳米粉体。是1982年Boutonnet18首次提出的，近年发展起来用于制备纳米材料的一种方法，已受到广泛的重视。用于制备纳米结构的微乳液又称反相胶束法，一般由4个组分组成:表面活性剂、助表面活性剂、有机溶剂和水。最常用的表面活性剂有：二(2-乙基己基)玻拍酸酷磺酸钠(AOT)，阴离子表面活性剂如十二烷基硫酸钠(SDS)和十二烷基苯磺酸钠(DBS)，阳离子表面活性剂如十六烷基三甲基澳化按(CTAB)，以及非离子表面活性剂如Triton X系列(聚氧乙烯醚类)等。微乳液法制得的纳米晶粒径分布较窄，容易控制，表面活性剂覆盖在粒子的表面，减小粒子之间的相互吸引力，避免团聚，稳定性良好，而且通过包覆或者复合的方法可以改进材料的表面特性（如电学、光催化等）。叶佳梅等19采用反相微乳液-水热法，辅以光照，顺利合成了粒径约79.2 nm的单分散掺杂CeO2的菱形钐纳米晶，并探讨了水热条件的改变对所得产物粉体形貌及粒径大小的影响。1.1.3 氧化铈的应用1.1.3.1 紫外光吸收纳米CeO2有宽带强吸收能力，而对可见光却几乎不吸收，当其被掺杂到玻璃中，可使玻璃防紫外线，同时不影响玻璃本身的透光性20,21。并且，稀土CeO2热稳定性好、安全无毒、资源丰富、制备成本低，具备吸收和反射紫外线的双重功能，对紫外线的屏蔽效率较高，有望成为一种新型高效的紫外线吸收剂。王艳荣等22通过沉淀法，获得的CeO2纳米晶粒径约10 nm，通过紫外可见分光光度计测定氧化铈的吸收光谱在200 480 nm的波长范围内，有较强的紫外吸收能力，是一种性能较好的紫外吸收屏蔽剂。1.1.3.2 电化学应用CeO2的纳米结构极大的增强了被掺杂材料的光、磁、催化性能，增加其热稳定性及储放氧的能力。举例来看，纳米粉体在电化学传感器方面的广泛使用，为电化学基生物传感器的开拓了一个新的探究领域。与传统的电化学传感器相比，将纳米材料引入传感界面后，一方面引入了材料本身的电化学性质，另一方面也增加了固相催化剂的比表面积，甚至可以直接作为试剂参与反应，使传感界面具有更多的功能基团，对脂质、葡萄糖等成分产生更强的电催化效应。Lin Hai Jiang等23采用水热法，合成了CeO2纳米立方体与石墨烯混合的高度结晶的混合成分。通过实验测试该复合材料的催化活性，结果表明，经石墨烯作为支撑体的CeO2复合材料具有较高的灵敏度、优良的催化性能和高于纯CeO2纳米立方体光致发光强度30倍的优越性能。1.1.3.3抗氧化生物应用在纳米标准范围内，因为晶格表面氧缺陷的出现，CeO2纳米晶体表面的部分四价铈被还原为三价铈，使得表面缺陷稳定存在，而且，两个价态的铈离子间可以彼此转换，这种特性使纳米CeO2催化生物体内过剩的自由基降解，它开辟了氧化应激疾病治疗的一个新的研究方向。李燕等24利用循环伏安法，将氧化铈与酶混合制备复合修饰电极， 考察了血红蛋白(Hb)对CeO2改性的玻碳极的电化学性能。研究表明，复合在CeO2材料上的Hb，不但能够使电极表面直接进行电子的转移，而且可以使其生物催化活性维持较长的时间。1.2 氧化铜的制备与应用普通氧化铜是一种多功能精细无机材料。纳米氧化铜的粒径介于1100 nm，由于具有表面效应、量子尺寸效应、体积效应以及宏观量子隧道效应等25，与普通氧化铜相比,在磁性、光吸收、化学活性、热阻、催化剂和熔点等方面表现出奇特的物理和化学性能，已引起人们广泛的关注，并成为用途更广泛的无机材料之一。随着对纳米材料性质研究的深入，推动了纳米材料制备技术的发展26。关于纳米氧化铜的制备方法主要有固相法、控制双射流的液相沉积技术、喷雾热解法、醇解法和声化学法等27。近年来，又出现了很多制备纳米氧化铜的新方法，如:激光蒸凝法、沸腾回流沉淀法、络合沉淀法、水热法、压力-热液法、微乳液法、电化学法和模板法。1.2.1 氧化铜的制备1.2.1.1 激光蒸凝法该方法是采用激光为热源，使铜盐分解蒸发再冷凝形成纳米粒子。其反应机理是:反应物吸收激光的能量，快速气化，同时使其化学键发生断裂，进而发生反应形成纳米粒子。该技术的制备过程是将经聚焦后的激光束直接照射到反应器中预先压制成圆柱状的固态醋酸铜靶材上，醋酸铜吸收激光后升温而分解蒸发，蒸汽急速降温而冷凝成固态纳米粒子，获得的纳米粒子随载气进入捕集器中收集而得到。郭广生28等以150 W CW-CO2激光器为光源，Cu(Ac)2H2O为靶材，采用激光蒸凝法在氧气气氛下制备出氧化铜纳米粒子，粒径为10 nm50 nm，并考察了反应压力、载气的种类、流量及反应时间等条件对制备纳米粒子的影响。结果表明:反应温度大于800 ，在惰性气氛下，得到Cu和Cu2O的混合物；在氧气气氛下，得到Cu、Cu2O和CuO，其中以CuO为主。1.2.1.2 沸腾回流沉淀法该方法是指采用普通加热或微波加热沸腾回流的方式制备纳米氧化铜微粒。主要制备过程是称取一定量硝酸铜加水溶解，加碱调至预定的pH值后，在搅拌下常规或微波加热沸腾回流1 h得到黑褐色沉淀，趁热过滤并用蒸馏水洗涤数次，试样于烘箱中80 干燥5 h以上即得到黑褐色粉末。Wang等29以醋酸铜核氢氧化钠为原料，乙醇为溶剂，采用微波加热的方式制备了形状规则、粒子分布窄、纯度高的纳米CuO。不加分散剂粒径为200 nm，加入分散剂后粒径大约为4 nm。显然，微波加热分散剂对纳米粒子的粒度大小有很大的影响。1.2.1.3 络合沉淀法络合沉淀法就是通过铜盐先与络合剂生成络合物，再与沉淀剂反应得到前驱体，经过热处理得到纳米氧化铜。主要合成方法是先将硝酸铜配成溶液，在一定温度和充分搅拌下，缓慢滴加络合剂，逐步生成铜络合物，然后再在搅拌下滴加沉淀剂，反应完后抽滤，洗涤沉淀，80 真空干燥2 h，400 热处理2 h，即得纳米CuO。李冬梅等30首次以硝酸铜、氢氧化钠以及不同络合剂为原料，采用这种方法制备纳米氧化铜粉体。此次试验制备CuO纳米颗粒主要借鉴了该方法得到了CuO模板。1.2.1.4 水热法水热法是指在高温高压下一些氢氧化物在水中的溶解度大于对应的氧化物在水中的溶解度，于是氢氧化物溶于水中同时析出氧化物的方法。李冬梅等31以硝酸铜和尿素为原料，采用水热法一步合成了纳米氧化铜粉体，其粒度均匀，平均尺寸在25 nm60 nm，并考察了反应温度对粒径的影响。结果表明:温度115 130 ，随着温度升高，粒径减小。1.2.1.5 微乳液法微乳液法是指利用两种互不相容的溶剂在表面活性剂的作用下形成一个均匀的乳液， 从乳液中析出固相制备纳米材料的方法。崔若梅等32首次用这种方法制备出了粒径不同的CuO纳米粒子。1.2.2 氧化铜的应用普通氧化铜主要应用在印染、陶瓷、玻璃及医药等领域。近年来，普通氧化铜在催化领域也得到广泛应用，如在氧化、加氢、C1化学合成、NOX还原、CO及碳氢化合物燃烧、精细化工等反应中的催化作用。当普通氧化铜粉体达到纳米级时，将使它的功能更加独特， 应用更加广泛。诸如在电子领域的传感器应用方面、材料领域的超导材料和热导材料等方面都显示出很好的应用前景。可以预测:纳米氧化铜在许多领域将有很大的应用潜力。在催化剂应用方面，由于纳米氧化铜的表面效应使其具有比表面积大、反应活性高和选择性强等特点，从而在许多反应中表现出很好的催化效果。在纳米氧化铜对高氯酸氨 (AP)催化热分解反应的研究中，国内外许多研究发现:纳米氧化铜对提高推进剂燃速、降低燃烧温度效果更好。2002年罗元香等33发现纳米氧化铜可以降低AP分解温度。2001年洪伟良等34研究了纳米CuO对黑索今(RDX)分解反应的催化性，表明RDX的分解温度降低。同时，纳米氧化铜还可以催化氧化具有挥发性的有机化合物，如CO、乙醇等工业废气。在传感器方面，由于氧化铜纳米粒子的奇特性，它对外界环境如温度、光、湿气等十分敏感，可以大大提高传感器的响应速度、灵敏度和选择性。Frietsch等35将纳米氧化铜包覆在其他材料的表面，结果表明:5 nm30 nm的CuO膜可大大提高传感器对CO、乙醇的选择性，为检测环境质量提供先进的手段。1.3 氧化铜/氧化铈催化剂的应用CuO-CeO2不仅具有了CuO的催化氧化性能，同时由于CeO2良好的储氧性能，具有丰富的氧空穴，可实现快速的Ce3+/Ce4+之间的氧化还原转化，成为了现在热门的燃料电池技术与汽车尾气处理技术方面相关催化剂的首选。目前，CuO-CeO2催化剂广泛应用于CO选择性氧化(CO-PROX)、或低温氧化、氮氧化物(NOx)脱除、水煤气转换(WGS)、CH4水蒸汽重整、甲醇水蒸汽重整、汽车尾气三效催化剂等领域。1.3.1 CO催化氧化CO是一种易燃、易爆、对人体有害的气体污染物。在烃类不完全燃烧过程和矿井中均含有大量CO。当空气中CO含量为2.1x10-3 mol/L时，两小时之内人就会出现头晕和呕吐现象；当含量达到1.2 %时，会在1-3 min内致人死亡。因此随着社会的发展和人们生活水平的提高，CO低(常)温氧化脱除技术的应用也越来越广泛，在空气净化器、CO气体传感器、封闭式-循环CO2激光器、CO防毒面具以及密闭系统内CO的消除等方面都具有较高的实用价值。同时随着质子交换膜燃料电池(PEMFC)技术的发展，甲醇在线重整制氢由于可以有效解决氢能存在的储存及配给等问题，成为研究的热点。1.3.1.1 CO低温氧化贵金属催化剂是最有效的CO低温氧化催化剂，其中Pd由于具有优于Pt、Rh的低温催化氧化性能而受到研究者的广泛关注。虽然贵金属催化剂在低温活性、抗中毒能力和抗水性能等方面具有优于其它催化剂的特性，然而贵金属资源稀少，价格昂贵，其应用受到限制。过渡金属氧化物催化剂活性虽然不如贵金属催化剂，但它价格低廉，制备工艺简单，通过稀土掺杂改性的过渡金属氧化物催化剂具有更好的催化性能，其应用前景广阔。其中有关CuO催化剂的研究备受关注。如Unnikrishnan36等证实CuO对CO具有催化氧化活性。CeO2中添加第二组分形成固溶体，可以显著提高热稳定性、氧化还原性和催化活性。1.3.1.2 CO的选择性氧化甲醇或天然气的水蒸汽重整是目前发展燃料电池的主要制氢技术。通常因含有微量的CO(摩尔分数0.5%-3%)，而用于质子交换膜燃料电池的氢气要求其中的CO浓度不能高于100 ppm37。而选择性氧化法(PROX)是降低重整气(富氢气体)中的CO浓度的有效途径，而其关键是找到一种高效CO选择氧化催化剂。因此，选择性地消除富氢气体中少量的CO，对燃料电池的推广和环境保护来说有着深远的意义。在CO的选择性氧化反应中，研究较多的催化剂有Au、Pt和Rh等贵金属体系，但是储量有限、成本较高的因素限制了此类催化剂的发展。目前，替代贵金属体系最理想的非贵金属催化剂就是CeO2负载的CuO催化剂。Avgouropoulos等38发现了该催化剂体系表现比贵金属Pt/Inordenite催化剂具有更好的反应活性(在200 C时的95 %转化率和60 %选择性)。1.4 立题依据纯CeO2在高温环境下易发生烧结，从而限制了其应用，因此在催化领域中基本上不会单独使用，而是常与其它氧化物或活性金属(如贵金属)和热稳定载体一起使用，作为结构p电子促进剂或共催化剂，而不是真正的催化剂。但CeO2基非贵金属氧化物的优良催化性能己显示出十分诱人的前景，有望取代价格昂贵、资源僵乏的贵金属催化剂。CeO2是重要的催化材料，以其低成本、高活性的特点而被广泛应用于CO选择性氧化、CO低温氧化、甲醇水蒸气重整、氮氧化物脱除等领域，越来越受到人们的广泛关注。其中关于CuO-CeO2催化剂两组分之间的协同作用更是研究中的焦点。对于铜饰催化剂体系，尽管关于铜饰之间在界面上协同作用的报道屡见不鲜。目前，已经有许多研究报道了纳米CuO可以作为CO氧化反应的活性中心，而随着对CuO-CeO2催化体系认识的不断加深，一系列问题同时也摆在了面前:什么形貌的CuO活性最好?CeO2与CuO形成什么样的结构催化效应最好?对CO的催化效果能否达到预想的效果?能否进行实际推广及应用?为了解决这些问题，本论文主要制备不同形貌的CuO纳米颗粒，通过比较选出最优形貌进行CeO2包覆，并对其进行性能的表征与评价，探讨合成的CuO-CeO2催化剂的实用性和推广性。本论文重点研究CuO-CeO2催化剂制备途径的选择与检测，旨在做出具有优良的CO氧化活性且可以实际规模化生产的CuO-CeO2催化剂。本文依据最新文献资料，重点阐述了氧化铜与氧化铈微（纳）米结构的控制合成与表征、结构形貌控制、实际应用等方面，并且探讨了CuO-CeO2微纳米材料的发展前景，为进一步深入探究和合成高性能的新型CuO-CeO2复合材料提供借鉴。1.5 研究内容本论文采用水热法制备了一系列的CuO微球，通过SEM、XRD及吸附性测试进行比较，再根据反应条件和时间选择其中一种或者几种对其进行CeO2包覆，进而制得复合型CuO-CeO2催化剂。之后，再应用XRD对催化剂进行表征，并进行对甲基橙的光催化实验。同时改变包覆的次数及实验条件，研究其温度、pH值、反应时间及包覆次数等对催化剂形貌及其性能的影响。在此基础上，本论文还通过将制备的催化剂在350 下焙烧，研究了焙烧前后复合物结构和性质的变化。并通过H2-TPR分析了CuO-CeO2复合物的催化活性。2实验部分2.1实验试剂三水硝酸铜(Cu(NO3)23H2O)，分析纯，中国天津市巴斯夫化工有限公司；氨水(NH3H2O)，莱阳经济技术开发区精细化工厂；氢氧化钠(NaOH)，分析纯，天津博迪化工股份有限公司；硝酸钠(NaNO3)，分析纯，开封开化集团试剂厂；硝酸铈銨(NH4)2Ce(NO3)6)，分析纯，中国天津市巴斯夫化工有限公司；尿素(H2NCONH2)，分析纯，中国天津市巴斯夫化工有限公司；聚乙烯吡咯烷酮(K-30)，分析纯，国药集团化学试剂有限公司；无水乙醇，分析纯，莱阳经济技术开发区精细化工厂；蒸馏水2.2实验仪器高压釜(50 mL)；CX-500型超声仪，北京市医疗设备二厂；80-1电动离心机，金坛市双提实验仪器厂；AS系列超声波清洗剂，天津奥特赛恩斯仪器有限公司；DHG-9023A型电热恒温鼓风干燥箱，上海精宏实验设备有限公司；KD-100型电子天平，福州科迪电子技术有限公司；管式电阻炉，SK-2-10型号，上海实验电炉厂；紫外可见分光光度仪，仪器型号：Cary 50，Varian公司JSM-6700F型场发射扫描电子显微镜SEM，日本电子公司；RigakuD/Maxr-A转靶X-射线衍射仪，日本理学公司2.3 实验步骤2.3.1 CuO微球的制备将一定量的硝酸铜溶于乙醇溶剂中，按顺序分别加入氨水、氢氧化钠(1 mol/L)、硝酸钠，将其混合，搅拌均匀后将溶液放入高压反应釜中，放入烘箱中进行反应。自然冷却至室温，将产物用去离子水、乙醇洗涤后用乙醇保存。用同样的方法做其它对照实验(如改变反应时间，反应温度，物质的加入量)，并通过形貌与性能的检测选出较好的CuO微球作为模板。2.3.2 CuO-CeO2复合微球的制备取一定量的CuO微球与硝酸铈铵溶于水中并搅拌1 h；之后分别加入一定量的尿素、PVP，混合均匀后将上述溶于转移至锥形瓶中，放入到烘箱中进行反应；反应结束后，用自来水冷却，将产物用去离子水、乙醇洗涤后用乙醇保存。用同样的方法做其它对照实验（如改变反应时间，用量比例，包覆次数等）。2.3.3 样品的表征把所制得的样品用适量乙醇稀释后，超声分散10 min，用硅片捞取样品，自然干燥后，用JSM-6700（10KV）场发射扫描电子显微镜记录样品的扫描电子显微镜照片（SEM），对样品进行粒度及形貌观察。将样品离心分离，充分干燥，取适量固体，采用D/MAX-2500/PC型X-射线衍射仪输出得到粉末X-射线衍射(XRD)图谱(=0.15406 nm)，分析样品颗粒的物相组成。2.3.4 性能表征2.3.4.1 吸附性取一定量的CuO和不同包覆条件下的CuO-CeO2与试管中，分别加入一定量的刚果红溶液，震荡摇匀，在经过短时间的超声之后静置，离心，取上清液比较其颜色并测其吸光度，其用量如下表2-1。表2-1 CuO及其复合物的吸附性测试Table 2-1 The adsorption of Congo Red on CuO and its complexCuO模板(g)硝酸铈铵(g)取用样品的量(g)刚果红用量(mL) (48 mol/mL) 0.1-0.030150.10.00250.030150.10.0050.030150.10.010.030150.10.050.030150.10.10.030152.3.4.2 光催化降解配置0.2 g/L的甲基橙标准溶液，使用时取25 mL已配置好的标准溶液稀释至500 mL，这时浓度为10 mg/L。取一定量的CuO样品，加入200 mL配置好的10 mg/L的甲基橙溶液，混合均匀之后超声分散，静置20 min，取样离心分离，取上清液测其吸光度；同时开始搅拌，在紫外光照下反应，每隔20 min取样测其吸光度，计算出降解率。取一定量的CuO-CeO2样品，加入200 mL10 mg/L的甲基橙溶液，混合均匀，经过超声分散之后分别在紫外光照下和暗光条件下开始反应，在0 min、15 min、30 min、45 min及60 min取样，经过离心分离之后，取上清液测其吸光度，计算出降解率。降解率计算公式为： =A-AA100% (2-1)-催化剂的光催化效率；A-光照前体系的吸光度；A-光照后体系的吸光度。2.3.4.3 程序升温还原(TPR)分析采用天津大学北洋新技术开发中心制造的吸附-脱附-还原-反应多功能实验设备，量取50 mg样品，放入石英反应管，两侧填充石英棉。于300 下，惰性气体He气预处理30 min，冷凝至常温后，改为通入5 % H2/Ar混合气氛，流速为30 mL/min，待色谱基线水平后，以10 /min的升温速率进行TPR的表征。3结果与讨论3.1 CuO-CeO2的表征X射线衍射(XRD)，是一种通过对材料进行X射线衍射，得到其衍射谱图，进而获得材料的成分、内部原子或分子的结构形态等信息的研究手段。其原理是目标原子内层电子在高速运动电子的轰击下跃迁产生光辐射，得到其谱图。材料中晶体间距可以被用作X光的光栅，产生的相干散射会发光的干涉作用，从而得到相应的特征谱图。ba图3-1 所合成样品的XRD图 (a)CuO， (b) CuO-CeO2Fig.3-1 XRD patterns of (a) CuO and (b) CuO-CeO2所制备CuO微球样品的XRD谱图如图3-1a所示。样品的衍射特征峰的位置与氧化铜的标准卡片(No.65-2309)吻合很好，从左到右，衍射峰与(110)、(-111)、(111)、(220)、(-202)、(202)和(-311)等晶面一一对应，由此可说明所制备的样品为CuO，图中各衍射峰尖锐，说明样品的结晶性良好，而且无其他杂质相衍射峰存在，表明样品纯度高。图3-1b特征衍射峰的位置与氧化铜的标准卡片(No.65-2309)吻合很好，说明所制备的样品为CuO。图中2值为28.78o、33.58o、47.66o和56.73o处有较弱的衍射峰，通过与CeO2标准卡片的比较，可以得出含有CeO2，即CeO2确实包覆在CuO上。由于与CuO的衍射峰有重叠，故不是很明显；由于CeO2包覆在CuO的晶面缺陷部位，且含量较少，因此，CeO2在b图上的衍射峰较弱并有一些细小的分叉。3.2 样品SEM形貌分析abcd图3-2 所合成样品的SEM图 (a) (b) CuO，(c) (d) CuO-CeO2Fig.3-2 SEM images of samples (a) (b) CuO，(c) (d) CuO-CeO2图3-2a、3-2b为CuO的SEM图，a图为低倍SEM图，b为高倍SEM图。由图中可以看出反应生成的CuO的整体形貌为近似球形结构，球表面为针状突起。图3-2c、3-2d为CuO-CeO2复合微球的SEM图，c图为低倍SEM图，d为高倍SEM图。可以看出，我们所制备的CuO-CeO2复合材料的整体形貌仍为球形，且分散性相比较好。CeO2主要包覆在CuO微球的表层，在其针状突起上覆盖，在d图中可以明显看出突起部分变得圆滑，片状边缘变厚。3.3 实验参数对样品形貌的影响3.3.1 温度对样品形貌的影响从热力学角度来说，对于多数反应，温度升高会促使反应体系内分子或离子运动速率加快，活化能升高，反应速度加快。对于本实验包覆过程中，由于尿素在水溶液中的分解温度为80 ，而反应需要尿素分解出OH-促使Ce4+形成沉淀，故反应需要不低于80 ，通过一系列对照试验的比较得出以下结论:当温度高于100 时，由于对反应容器的要求，且在高温下反应速度太快，易发生团聚的现象，不利于CeO2包覆的进行；当低于100 时，相比较90 时反应得到的产物的形貌和分散性最好，在此温度下，刚好便于控制反应速度，且对反应容器的要求相对较低，降低了成本，有利于之后的深入研究和扩大化生产。3.3.2 包覆反应时间对样品形貌的影响在反应过程中，根据相关文献对CuO的不同制备方法及不同的包覆方法，曾作出如下实验(如表3-1)，表3-1 不同反应时间的包覆实验Table 3-1 The coating experiments at different reaction time 反应时间/hCuO用量/g硝酸铈铵用量/g总反应体积/mL30.20.055060.20.0550120.20.0550240.20.0550480.20.0550包覆合成的方法属于热力学平衡的过程，因此，包覆反应时间是影响微纳米晶形貌的一个重要参数，而结构决定性质，包覆时间的差异必然会带来材料性能上的差异。而通过在不同时间下对制得产物的观察可得:在3 h和6 h的时候，CuO上包覆CeO2的量很少，在电镜中无法观察的出，同时溶液中检测Ce含量很高，显然还未来得及成核；当反应12 h时可以再CuO球表面明显看出有CeO2存在，制得样品的质量相比理论值有所增加；当24 h时，制得的样品与12 h相比并未有较大差别，48 h同样如此。因此，推断得出:包覆过程中，反应在6-12 h间速率达到了最大值，之后反应将进入较平缓的阶段，对实验意义不大。综合实际情况可选择12 h为最佳反应时间。3.3.3 试剂用量对样品形貌的影响在反应体系中试剂用量影响最大的便是CuO及(NH4)2Ce(NO3)6用量，尤其是(NH4)2Ce(NO3)6的量。当(NH4)2Ce(NO3)6用量较少时，所制得样品中铈含量也很少，导致在XRD表征和性能表征的时候，无法确定含有CeO2；(NH4)2Ce(NO3)6渐渐增加时，其包覆在CuO微球上的量也相应增加。如图3-3所示，当CuO与(NH4)2Ce(NO3)6的比例为2时，如下表3-2中2-12样品用量，所得CuO-CeO2样品的XRD图谱中除了CuO的尖锐衍射峰外，还出现了CeO2弱的衍射峰（图中标有#的衍射峰）。但是，当CuO与(NH4)2Ce(NO3)6的比例大于2的时候，反应溶液会明显变浑浊，溶液中含有许多游离的CeO2微粒，且由于粒径很小，很难实现离心分离，对实验造成了很大的影响。因此，反应物二者的比例控制在1-2之间并接近2为最佳比例，既可以制得含铈量较高的样品，又不会使溶液体系浑浊，产生CeO2的浮游颗粒。表3-2 不同铈盐浓度的包覆实验Table 3-2 The coating experiments at different Ce4+ concentration实验编号CuO用量/g硝酸铈铵用量/g总反应体积/mL2-100.10.005502-110.10.01502-120.10.05502-130.10.150图3-3 所合成CuO-CeO2(2-12)样品的XRD图Fig.3-3 XRD patterns of CuO-CeO2(2-12)3.3.4 CuO微球对样品形貌的影响CuO微粒的结构会对之后CeO2的包覆有着很大的影响，故要选择最佳的CuO微粒作为模板十分的重要。根据文献及之前实验总结，做出如下实验:将制备的CuO通过显微镜观察其形貌和分散性，以及吸附性比较可得:在90 条件下，样品2-1、2-2及2-3均可制备出球型的CuO微粒，而样品2-4则无法形成沉淀，需要在180下才会出现沉淀，且沉淀效果并不好；样品2-1与样品2-3相比，样品2-3生成的CuO的量相对较少，产率较低，可执行性不高；而样品2-2中产生了较好的CuO微粒，微观结构与样品2-1产物相符，但是其分散性及吸附性不好，不利于之后包覆实验的进行；故最终选择以样品2-1为最佳的生成方式。表3-3 合成CuO的不同反应条件Table 3-3 CuO obtained in different reaction conditions编号硝酸铜(g)醋酸铜(g)乙醇(mL)乙二醇(mL)氨水(mL)氢氧化钠(mL)硝酸钠(g)2-10.303-25-1552.52-2-0.22825-1552.52-30.303-25-155-2-40.303-251552.5注: 1、氨水的体积分数为35 %； 2、氢氧化钠的浓度为1 mol/L。3.3.6 包覆次数对样品形貌的影响abdc图3-4 不同包覆次数下样品的SEM图 (a) (b) 包覆一次，(c) (d) 包覆两次Fig.3-4 SEM images of samples obtained with (a) (b) one and (c) (d) two circles包覆的次数决定了CuO表面包覆的量及表面的微结构变化，当包覆的量少的时候，如图3-4a所示，样品的吸附性仍很强，故分散性较差，容易团聚到一起，且有图3-4c中可以看出，一次包覆后复合物球形结构表面的片层结构较光滑，片与片之间很明显的可以看出其交叉部位及尖锐的突起。当包覆两次时，如图3-4b所示，样品的分散性较好，当然相对吸附性会由于前驱物占据了CuO表面的吸附缺陷而降低；在高倍下，d图中的微球表面变模糊，突起部分不再光滑，明显变得粗糙，与b图相比有较大的差别。实验说明，包覆的量会对样品形貌产生较大的影响。3.3.5 焙烧对样品形貌的影响ba图3-5 样品的SEM图 (a) 焙烧前，(b) 焙烧后Fig.3-5 SEM images of samples (a) before and (b) after calcinations包覆首先在CuO表面形成一层铈的前驱物，经过1 /min升温至350 的焙烧之后，前驱物会分解为CeO2，CuO不发生变化，得到目标复合物。如下图3-5示，a为焙烧前CuO表面包覆前驱物，表面较粗糙，突起如树干般较宽较厚，而图b为焙烧后CuO表面包覆CeO2，相对比较光滑，突起如枝条般细小，且质量有所减轻，这是由于前驱物受热分解，减少了之前占用的空间和重量。3.4 反应过程分析3.4.1 制备CuO微球过程分析将一定量的硝酸铜溶于乙醇溶剂中，分别加入氨水、氢氧化钠及硝酸钠，倒入高压反应釜中于90 下进行水热反应，在强碱性环境下，Cu2+与OH-形成沉淀Cu(OH)2，加热最终分解制得产物CuO微球。所发生的化学反应主要为:NH3H2O NH4+OH- (3-1)Cu(NO3)23H2O+OH Cu(OH)2 (3-2)Cu(OH)2 CuO (3-3)3.4.2 包覆反应过程分析包覆法是指向含有无机粒子的悬浮液中加入沉淀剂，使待包覆物发生沉淀反应，在无机粒子表面析出，实现对颗粒的包覆。本实验以CuO微球为模板，硝酸铈铵为铈源；以尿素为沉淀剂，加热情况下缓慢分解产生OH-离子，使体系的pH值逐渐升高而变成弱碱性。铈离子在碱性条件下形成Ce(OH)4，并借助于CuO较多的强吸附性的缺位而附着在CuO表面，形成复合物。在350 加热，Ce(OH)4会分解为CeO2，最终可得到CuO-CeO2复合物。所发生的化学反应主要为:CO(NH2)2 水溶液中90加热 NH4+OH-+CO2 (3-4) Ce(NH4)2(NO3)6+OH Ce(OH)4 (3-5) Ce(OH)4 350焙烧 CeO2 (3-6)制备的Ce(OH)4微粒沉积在CuO的表面作为生长中心，使更多的Ce(OH)4纳米粒子聚集到CuO表面上。同时CuO微球表面由片层结构组成，经过不同次数的包覆，更多的Ce(OH)4纳米粒子会附着在片层结构上面，片状层面会变厚且模糊。但是，由于CuO模板在溶液中是以粒子形式存在，如果铈离子浓度过高、反应温度过高，反应速度过快，CuO粒子会沉积在容器底部，导致Ce(OH)4成核生长速度过快，易产生游离的Ce(OH)4粒子存在于溶液中，反应结束时溶液会很明显的呈混浊状态，且不易离心。因此在反应过程中，要控制反应速度，且在刚开始Ce(OH)4形成生长中心的时间段中不断摇晃反应容器，使CuO微球与Ce(OH)4颗粒可以充分接触，进而生成分散性均匀的产物。3.5 样品的性能表征3.5.1 吸附性吸附作用又称吸着作用，是两相交界面上吸附剂和吸附质之间通过分子间作用力或者化学反应而产生物质分子浓度发生变化的现象。吸附体系由吸附剂和吸附质组成，我们将具有一定吸附能力的材料称为吸附剂，将被吸附的物质称为吸附质。研究表明，吸附现象不仅发生在固-气交界面上，在液-气交界面、固-液交界面上同样也会发生。按照如表2-1中的数据进行吸附性测试，实验结果表明，CuO本身具有较强的吸附性能，但是包覆了CeO2之后，CuO-CeO2复合物的吸附性却有所降低，且包覆CeO2的量越多，复合物的吸附性越弱，这与文献中39描述是相符的。因为CeO2在包覆过程中，包覆的位置与量的大小是与CuO的吸附性能有关的。CuO本身由于其球型结构，球表面有较多的突起，形成了具有较强吸附性的缺位，而CeO2的包覆则正好补上了CuO晶体表面的部分缺位，导致其吸附性下降，这恰好证明了其包覆机理的正确性。3.5.2 光催化降解3.5.2.1 CuO对甲基橙的降解光催化是在一定波长光照条件下，半导体材料发生载流子的分离，然后发生电子和空穴在于离子或分子结合生成具有氧化性或还原性的活性自由基，这种自由基能将有机物大分子降解为CO2或其他小分子有机物及水，在反应过程中这种半导体材料也就是光催化剂本身不发生变化。这种半导体光催化剂在光照下发生的反应就叫做光催化反应。图3-6 紫外光照下CuO对甲基橙的光催化效率Fig. 3-6 Photocatalytic efficiency of CuO to methyl orange under UV light由图3-6可以看出，CuO对甲基橙光催化降解的效率不高，在120 min时降解率仅不到18 %，且在100 min之后，反应的速率明显开始趋于平缓，由此可以推断，CuO整体的光催化效率不高。同时，还可能存在CuO对甲基橙的吸附性作用，这样CuO对甲基橙的催化活性很低，没有实际利用的意义。3.5.2.2 CuO-CeO2对甲基橙的催化图3-7 紫外光照下CuO-CeO2对甲基橙的催化效率：Fig. 3-7 Photocatalytic efficiency of CuO-CeO2 to methyl orange under UV light 由图3-6和图3-7比较可以得知，CuO-CeO2具有较好的光催化效率，60 min后降解率可以接近100 %，而CuO只有不到20 %。由此可见，CeO2的包覆对CuO的性质在光催化降解方面有较明显的提升。而且，该反应在30 min时的降解率已经达到了80 %以上，说明CuO-CeO2复合物的催化活性很高，效率也很高，不需要太长的反应时间，具有了相当大的实际意义。将实验所得的样品对甲基橙催化的吸光度通过朗伯比尔定律得到该反应时刻溶液的浓度，其中所用到的公式如下:朗伯比尔定律公式: A=bc (3-7)化学一级反应动力学方程: ln(CAo/CA)=kt (3-8)有上述式(3-7)和式(3-8)可以得出ln(CAo/CA)=ln(A0/At)，做出ln(A0/At)t曲线如下图3-7图3-8 催化速率的动力学曲线Fig. 3-8 The dynamics of catalytic rate curve由图所得，曲线几乎在一条直线上，符合ln(Co/Ct)=kt，说明CuO-CeO2对甲基橙的催化反应符合一级动力学方程。3.5.3 程序升温还原（TPR）分析程序升温还原是通过金属氧化物的还原行为来判断催化剂表面活性中心数目和强度的一种直观方法。程序升温还原的原理是：纯金属氧化物有固定的还原温度。对于两种金属氧化物的混合体，当它们之间没有相互作用力时，各自的还原温度值不变；当氧化物之间有相互作用时，各自的还原温度会发生改变。并且，金属氧化物中氧的活性高，还原温度也就越低，对应TPR谱图的低温还原峰。TPR是经过金属氧化物的还原活动来判断催化剂表面的活性位点数目和强度的一种直观方式。将已制