纳米氧化铈相关材料的合成及性质研究

论文摘要

铈作为一种重要的稀土元素,在地壳中含量十分丰富,而氧化铈（CeO2）是一种廉价而用途极广的材料,广泛应用于发光材料、紫外吸收材料、催化剂、玻璃的抛光、耐辐射玻璃、电子陶瓷等领域。近年来,随着稀土新材料和纳米技术的迅速发展,人们发现纳米CeO2粉末具有新的优异性能及应用,CeO2纳米材料的制备、功能特性及应用研究己成为一个迫切需要研究的课题。本文采用一种低温常压、操作简单、成本低廉、便于工业化推广的合成新方法—复合氢氧化物媒介法（composite-hydroxide-mediated,CHM）合成出超细的纳米CeO2颗粒、纳米CeO2颗粒包覆碳纳米管以及钡掺杂CeO2纳米线。用CHM法合成的CeO2纳米颗粒通过XRD、TEM、HRTEM以及UV-vis的表征,发现其颗粒径很小,约2-8nm,用CHM法合成的CeO2纳米颗粒通过XRD、TEM、HRTEM以及UV-vis的表征,发现其颗粒径很小,约2-8nm,颗粒的对应晶面自组装组合。而导致了反常的XRD现象。利用CHM法在经过硝酸处理的碳纳米管上沉积了CeO2纳米颗粒,并对其进行了XRD、SEM、UV-vis和FTIR表征。发现纯碳纳米管表面具有很稳定的石墨结构,很难沉积CeO2纳米颗粒。但是碳纳米管经过硝酸处理之后,表面部分碳-碳双键被打开并上了羧基、羟基等官能团,而这些官能团可以作为活性中心而使CeO2纳米颗粒在其表面沉积并生长。因此碳纳米管的表面修饰是CeO2纳米颗粒能否沉积和沉积质量好坏的关键。通过CHM法对CeO2进行钡掺杂后,合成了一种新的纳米材料—钡掺杂的氧化铈纳米线。通过XRD、SEM、TEM和HRTEM的表征,发现它具有CeO2的萤石结构,独特的一维线状形貌,长3-20μm,纳米线结晶好为单晶,沿[110]方向生长,生长机理则遵从“溶解—结晶”模型。利用该纳米线做成的膜电极具有很好的湿敏特性,电极电阻随湿度变化剧烈,响应时间和回复时间分别为1分钟和2分钟。用离子导电模型解释了该电极的湿敏机理。通过光刻与聚焦离子束的方法搭建了单根钡掺杂CeO2纳米线电极并进行了伏安测试,单根纳米线的I—V曲线表现出轻微的非线性,我们用金属—半导体的表面接触效应对其进行了解释。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 纳米材料相关性质研究现状
• 1.1.1 纳米材料特性
• 1.1.2 量子尺寸效应
• 1.1.3 小尺寸效应
• 1.1.4 表面效应
• 1.1.5 宏观量子隧道效应
• 1.1.6 库仑阻塞与量子隧穿
• 1.2 纳米氧化铈相关材料的研究现状
• 1.2.1 纳米氧化铈相关材料在各领域中的应用
• 1.2.2 纳米氧化铈相关材料的合成方法
• 1.3 本文研究内容及创新点
• 2 超细纳米氧化铈颗粒的研究
• 2.1 引言
• 2 颗粒的合成'>2.2 超细纳米CeO₂颗粒的合成
• 2.2.1 CHM 法简介
• 2.2.2 实验过程
• 2 纳米颗粒的产率'>2.2.3 不同生长条件下CeO₂纳米颗粒的产率
• 2 纳米颗粒的反常XRD 现象的研究'>2.3 超细CeO₂ 纳米颗粒的反常XRD 现象的研究
• 2.3.1 反常XRD 图谱
• 2.3.2 SEM，TEM，HRTEM 表征
• 2.3.3 UV-vis 吸收谱表征
• 2.3.4 结论
• 2.4 本章小结
• 3 氧化铈包覆碳纳米管复合纳米材料的研究
• 3.1 引言
• 3.2 氧化铈包覆碳纳米管复合纳米材料的合成
• 3.2.1 试验过程
• 3.2.2 氧化铈包覆碳纳米管复合纳米材料的表征
• 3.3 氧化铈的沉积机理探讨
• 3.3.1 红外（FTIR）光谱分析
• 3.3.2 SEM 分析
• 3.3.3 沉积模型
• 3.4 本章小结
• 4 钡掺杂氧化铈纳米线的研究
• 4.1 引言
• 4.2 钡掺杂氧化铈纳米线的合成及表征
• 4.2.1 实验过程
• 4.2.2 钡掺杂氧化铈纳米线的表征
• 4.2.3 钡掺杂纳米线的生长模型
• 4.3 钡掺杂氧化铈纳米线的湿敏性质研究
• 4.3.1 湿敏传感电极的制作及测试平台
• 4.3.2 感湿电极湿敏特性
• 4.3.3 感湿电极湿敏机理分析
• 4.4 单根钡掺杂纳米线的电学特性
• 4.4.1 单根钡掺杂纳米线电极的制作
• 4.4.2 单根钡掺杂纳米线电极导电模型
• 4.5 本章小结
• 5 总结与展望
• 5.1 主要结论
• 5.2 后续工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录