三維有序大孔功能材料的制備、表征及催化和光學(xué)性能研究.pdf

1、三維有序大孔(3DOM)材料具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和功能特性，其孔結(jié)構(gòu)、孔壁材料及孔內(nèi)化學(xué)環(huán)境可在一定范圍內(nèi)調(diào)變，可作為催化劑、光子晶體、功能載體、吸附材料和電極材料等，在催化、環(huán)境、化工和電子工業(yè)等領(lǐng)域具有十分廣闊的應(yīng)用前景。3DOM材料已成為近年來(lái)材料科學(xué)研究的熱點(diǎn)之一，對(duì)3DOM材料研究目前主要集中在以下幾個(gè)方面：(1)3DOM材料的新型制備方法的開(kāi)發(fā)；(2)3DOM材料孔結(jié)構(gòu)和孔徑的調(diào)控；(3)不同材料體系的3DOM結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑；(4)3

2、DOM材料孔結(jié)構(gòu)的表面功能化；(5)3DOM新型應(yīng)用性能的研究等方面。這些研究均存在一定的難度，尤其是還相對(duì)比較缺乏有效、普適性的制備方法，造成3DOM材料的制備可控性較差、孔壁強(qiáng)度低及致密性差，這些缺點(diǎn)一定程度上阻礙了3DOM在其許多領(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)用。
　　 本文基于3DOM材料較強(qiáng)的應(yīng)用背景，立足解決3DOM材料走向?qū)嶋H應(yīng)用所面臨的問(wèn)題，較為新穎地利用膠體晶體模板法制備了孔徑可調(diào)變、孔壁致密性好、孔材料強(qiáng)度高、三維周期性?xún)?yōu)良

3、且催化和光學(xué)性能優(yōu)異的多種新型3DOM材料(Y2O3:Eu3+、Dy2O3、Fe2O3、TiO2、CeO2等)，系統(tǒng)地研究了不同制備方法和反應(yīng)條件對(duì)3DOM材料結(jié)構(gòu)、孔徑、有序度等特性的影響。同時(shí)，通過(guò)在3DOM CeO2結(jié)構(gòu)上負(fù)載納米級(jí)Au催化劑，探索性地制備了負(fù)載型3DOM Au/CeO2催化劑，重點(diǎn)研究了該類(lèi)負(fù)載型3DOM催化劑對(duì)甲醛氧化反應(yīng)的獨(dú)特催化性能。此外，還嘗試?yán)媚z體晶體模板法制備了稀土氧化物3DOM熒光納米材料，并研究

4、了其光學(xué)特性。
　　 本文主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)果具體如下：
　　 1.應(yīng)用無(wú)皂乳液法和分散聚合法，合成了粒徑為200～2000 nm的單分散、尺寸均勻的聚苯乙烯微球。采用自然沉降法，垂直沉積法和離心法等將單分散的聚苯乙烯微球組裝成膠體晶體，以該膠體晶體為模板制備出部分稀土氧化物和過(guò)度金屬系列(Y2O3:Eu3+、Dy2O3、Fe2O3、TiO2、CeO2等)3DOM材料。利用X射線(xiàn)粉末衍射、透射電子顯微鏡，掃描電子顯微鏡和紅

5、外光譜等手段對(duì)3DOM材料的相結(jié)構(gòu)、孔結(jié)構(gòu)、孔壁材料組成、三維周期排列等特性進(jìn)行了系統(tǒng)研究。研究表明，利用本文制備方法可以獲得孔徑于80～1500 nm范圍內(nèi)可調(diào)、孔結(jié)構(gòu)均勻且致密、孔材料強(qiáng)度較高的3DOM材料，這些材料是較好的功能載體、吸附劑和催化劑。
　　 2.采用鼓泡式沉積-沉淀法，以上述制備的3DOM CeO2材料為載體，制備了系列孔徑可調(diào)、Au負(fù)載量不同的新型3DOM Au/CeO2納米催化劑，研究了該3DOM Au/

6、CeO2納米催化劑對(duì)甲醛氧化反應(yīng)的催化性能，系統(tǒng)考察了催化劑孔結(jié)構(gòu)及孔徑大小、Au負(fù)載量、反應(yīng)溫度、預(yù)/后處理?xiàng)l件等制備因素對(duì)催化活性的影響，重點(diǎn)評(píng)價(jià)了催化劑的催化效率、穩(wěn)定性及使用壽命，對(duì)催化機(jī)理進(jìn)行了一定的探討。研究結(jié)果表明，3DOMAu/CeO2納米催化劑的孔徑大小、Au負(fù)載量、焙燒處理對(duì)催化劑的催化性能影響較大。孔徑為80 nm、Au負(fù)載量為3 wt%、未經(jīng)焙燒的3DOM/CeO2納米催化劑對(duì)甲醛催化氧化反應(yīng)具有優(yōu)異的催化性能，

7、測(cè)試表明該催化劑在75℃下可使甲醛完全氧化，較文獻(xiàn)報(bào)道的Au/CeO2型催化劑使甲醛完全轉(zhuǎn)化的溫度低30℃。該3DOM Au/ CeO2納米催化劑較傳統(tǒng)無(wú)孔結(jié)構(gòu)催化劑性能優(yōu)異的原因?yàn)榧{米金顆粒在孔結(jié)構(gòu)的催化劑表面分布均勻、尺寸較小、分散度高、不易團(tuán)聚，因而極大地提高了其催化性能；同時(shí)，催化劑的有序孔結(jié)構(gòu)導(dǎo)致被催化物質(zhì)可以與催化劑充分接觸，提高了其催化性能。該類(lèi)新型3DOM Au/CeO2納米催化劑對(duì)甲醛催化氧化反應(yīng)的穩(wěn)定性、催化效率和使

8、用壽命較粉狀A(yù)u/CeO2催化劑更高，預(yù)計(jì)在室內(nèi)空氣凈化、工業(yè)催化領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。
　　 3.采用硝酸稀土和檸檬酸的絡(luò)合物為前驅(qū)物溶液，通過(guò)上述提及的膠體晶體模板法制備了3DOM Y2O3:Eu3+納米熒光粉材料。通過(guò)X射線(xiàn)粉末衍射、掃描電子顯微鏡、和熒光光譜分析等手段，著重研究了孔結(jié)構(gòu)和熱處理溫度對(duì)3DOM Y2O3:Eu3+納米熒光粉材料發(fā)光性能的影響。研究結(jié)果表明，摻雜劑對(duì)氧化釔基質(zhì)的粒徑、形貌無(wú)明顯的影響，煅燒溫