金属氧化物纳米材料的电化学合成与形貌调控研究进展

金属氧化物纳米材料因其丰富的形貌、独特的性能、广泛的应用成为材料合成领域研究的热点.调控金属氧化物纳米材料的形貌对于调变其性能、拓展其应用空间具有重要意义.电化学方法由于操作简单易控、方法灵活多变,因此成为调控金属氧化物形貌的常用方法.本文综述了近年来我们在金属氧化物纳米材料的电化学合成与形貌调控方面已取得的研究结果;总结了不同金属氧化物在电化学过程中晶体生长机制和形貌调控的规律,为实现功能材料的定向合成奠定了基础.     

不同形貌聚吡咯及其复合材料的合成与电化学应用研究进展

聚吡咯(PPy)具有良好的电荷传输能力,PPy与金属氧化物、硫化物复合材料具有优异的电化学性能。本文综述了硬模板、软模板存在下纤维状、管状、球状等不同形貌PPy的制备,PPy与单金属/双金属氧化物、硫化物可构筑纤维状、管状、球状等不同形貌的复合材料,着重介绍了化学氧化聚合法制备不同形貌的PPy及其复合材料。本文还概述了不同形貌的PPy及其与金属氧化物、硫化物复合材料在超级电容器、锂离子电池、传感器等电化学领域的应用。     

在表面活性剂溶液中制备不同形貌的芘纳米材料

利用水溶液中表面活性剂分子和有机小分子间的相互作用,成功地制备了具有不同形貌的芘纳米颗粒和纳米棒.对其进行吸收光谱和荧光光谱等光物理行为的研究发现,不同形貌的纳米材料展现出不同的光学性质.同时对纳米材料的形成机制做了初步的分析和讨论.     

混合金属氧化物阳极在海水中的电化学性能

采用热分解方法制备钛基混合金属氧化物阳极 ,用扫描电镜对阳极涂层显微形貌进行了分析 ,并通过实海模拟试验考察了混合金属氧化物阳极在海水阴极保护系统中的使用性能 .SEM分析结果表明 ,混合金属氧化物阳极涂层呈多孔多裂纹的显微结构 ,与其它阳极材料相比 ,此种阳极具有更大的活性表面积 .电化学试验结果表明 ,混合金属氧化物阳极在海水中具有良好的电化学稳定性和电化学活性 ;此外 ,混合金属氧化物阳极在海水中的消耗率很低 ,属于不溶性的阳极材料 ,作为外加电流阴极保护的辅助阳极具有广泛的应用前景     

扫描电化学显微镜在水凝胶微孔阵列表征中的新应用

水凝胶微孔阵列是细胞培养的新型基板软材料,其微孔形貌对细胞的行为产生直接的影响.但传统水凝胶微孔阵列形貌的表征手段缺乏在水溶液中原位和可逆表征的能力.本文以水溶液中的氧气为还原电对,应用扫描电化学显微镜(SECM)对水溶液中的聚乙二醇二甲基丙烯酸酯水凝胶微孔阵列的形貌进行了原位表征,得到了水凝胶微孔阵列表面的二维孔径和三维形貌信息,开发出采用SECM对水凝胶微孔阵列形貌进行原位、可逆、无损表征及提供三维形貌信息的新方法.     

铱钽钛金属氧化物阳极的电化学特性

采用热分解方法在钛基体上制备铱钽钛金属氧化物阳极 ,用扫描电镜对阳极涂层显微形貌进行分析 ,通过强化电解寿命试验、开路电位测试、消耗率试验及循环伏安曲线研究了金属氧化物阳极的电化学性能 .SEM分析结果表明铱钽钛金属氧化物阳极涂层呈现多孔多裂纹形貌结构 .随阳极涂层组成不同 ,涂层显微形貌表现出很大差异 ,这种差异直接影响阳极电化学性能 .电化学性能试验结果表明铱钽钛金属氧化物阳极在酸性介质和海水中具有良好的电化学稳定性和电化学活性 .此外 ,铱钽钛金属氧化物阳极在海水中的消耗率很低 ,属于不溶性的阳极材料 ,作为外加电流阴极保护用辅助阳极具有广泛的应用前景 .     

甲醛催化氧化催化剂的研究进展

甲醛是致癌致畸物并具有较强的光化学活性.它既来源于纺织、农药、板材或其他精细化学品的生产过程,又来源于机动车尾气和室内各种装潢材料.为了人体健康和大气环境去除甲醛非常必要.用催化氧化法去除甲醛是一种很有前景的技术,但是该技术的关键是研究和发展催化剂.近年来,用于甲醛氧化的催化剂主要分为贵金属催化剂和过渡金属氧化物催化剂.贵金属催化剂是将Pt,Pd,Au,Ag等贵金属负载在不同类型的载体上而制得.载体可分为常见载体、传统金属氧化物载体和特殊形貌金属氧化物载体.常见载体是具有较大比表面积的SiO2,Al2O3,TiO2和分子筛等.这类载体有利于活性位的暴露以及反应物和产物的吸附和扩散,而且还能增强载体和活性组分的协同作用.负载在常见载体上的不同贵金属催化剂,其甲醛氧化活性从强到弱排列是:Pt＞ Pd＞ Rh ＞Au＞ Ag.用这种载体制备的催化剂具有很出色的应用前景.比如Na-Pt/TiO2是甲醛氧化活性最好的催化剂,目前己被应用在空气净化器中,其次是Pt/TiO2和Pd/TiO2.传统金属氧化物载体主要是采用沉淀法、共沉淀法制备的CeO2,Fe2O3,Co3O4,MnO2及其复合氧化物,这类载体负载Pt的催化剂仍然具有出色的室温催化性能,如Pt/MnOx-CeO2和Pt/Fe2O3等.虽然Pt负载型催化剂应用前景很好,但是其成本较高,工业生产和普及受到限制.用传统金属氧化物载体制备的催化剂如Au/CeO2,Ag/MnOx-CeO2和Ag/CeO2等同样具有良好的发展前景.对于提高甲醛氧化活性来说,载体的选择至关重要.未来研究趋势可能是甲醛氧化负载型催化剂更多的会选择Ag或Au作为活性组分,而一些有潜力的传统金属氧化物载体将被使用不同的制备方法进一步改良.目前,拥有棒状、球状、孔状等特殊形貌的金属氧化物载体因为它们本身的催化活性要优于用沉淀法制备的传统金属氧化物催化剂,因此,将Ag或Au负载在这类载体上制备的催化剂具有更好的应用前景,如三维(3D)有序大孔Au/CeO2-Co3O4,二维有序介孔Au/Co3O4-CeO2和Au/Co3O4以及三维有序介孔K-Ag/Co3O4等.过渡金属氧化物催化剂,因成本低,资源丰富而受到关注.单一过渡金属氧化物催化剂如锰钾矿型的MnO2纳米棒或纳米球,介孔MnO2,Co3O4和Cr2O3等,具有较好的甲醛氧化催化活性(T50和T100分别小于等于1 10和140℃).另外,Ce,Sn,Cu和Zr等元素常常被掺杂到MnOx和Co3O4中,制备成复合金属氧化物催化剂,MnOx-CeO2具有较好的甲醛催化活性(T50＜100℃),因为MnOx和CeO2较强的相互作用改变了表面活性氧和活性相的数量.目前,复合金属氧化物催化剂氧化甲醛的报道很少.随着制备方法的改变,单一过渡金属氧化物或他们的复合氧化物催化剂可能会成为贵金属催化剂的替代品.目前,如何获得高效、低成本、低温甚至常温去除甲醛的催化剂仍然是一项重要的挑战.特殊形貌的金属氧化物催化剂如3D-Cr2O3,3D-Co3O4,MnO2纳米球和纳米棒,在常温下完全转化甲醛仍然是个难以越过的鸿沟.将来,多种形貌的新型纳米金属氧化物及其Au或Ag负载型催化剂的制备和发展会成为一个研究趋势.这种催化剂既能被用于甲醛的催化氧化,也能被用于苯系物或其他VOCs的催化氧化.它能为机动车尾气和工业生产中VOCs产生量的削减提供技术支撑,而VOCs的去除有益于PM2.5浓度的降低和空气质量的恢复.     

氨水溶液制备ZnO纳米晶阵列的研究

以氨水和硝酸锌为前躯体，采用低温水溶液法在涂敷ZnO晶种层的玻璃衬底上外延生长了ZnO纳米棒晶阵列。应用SEM、TEM、SAED和XRD表征了ZnO纳米晶的形貌和结构。讨论了该组成体系水溶液法纳米棒外延生长的机理及其对棒晶形貌的影响。通过对水溶液pH值的原位二次调整，制备出了ZnO纳米管和表面绒毛状的棒晶阵列，基于生长机理探讨了它们的形成原因，为实现不同形貌ZnO纳米晶阵列的优化控制提供了可能的技术途径。结果表明，不同形貌的ZnO均属沿c轴择优取向的六方纤锌矿结构。     

醇-水混合溶剂中双亲水嵌段共聚物对CaCO3粒子形貌的调控

合成形态、大小及结构受到人为调控的无机材料是现代材料科学的一个重要研究方向, 通过生物模拟方法可望实现各类有机添加剂及模板对无机物形貌与结构的有效调控[1,2]. 近年来, 一类新型的无机晶体生长调控剂--双亲水嵌段共聚物[3]已成功地用于多种无机粒子形貌的有效调控. 双亲水嵌段共聚物由2个与无机表面亲和作用不同的亲水链段构成, 在其水溶液中, 已实现了具有一系列特殊形貌的碳酸钙[4~6]、磷酸钙[7]及硫酸钡[8]粒子的生物模拟合成. 人们已陆续报道了在多种有机添加剂及模板作用下典型的生物矿物CaCO3的生物模拟合成[9,10]. 我们曾系统地研究了水溶液中双亲水嵌段共聚物对CaCO3粒子形貌的调控作用[6],最近又在双亲水嵌段共聚物-表面活性剂混合溶液中合成出具有新颖形貌(如空壳状等)的CaCO3粒子[11]. 本文考察了醇-水混合溶剂中双亲水嵌段共聚物对CaCO3粒子形貌的调控作用, 初步揭示了溶剂特性对该调控作用的显著影响.     

甲醛催化氧化催化剂的研究进展（英文）

甲醛是致癌致畸物并具有较强的光化学活性.它既来源于纺织、农药、板材或其他精细化学品的生产过程,又来源于机动车尾气和室内各种装潢材料.为了人体健康和大气环境去除甲醛非常必要.用催化氧化法去除甲醛是一种很有前景的技术,但是该技术的关键是研究和发展催化剂.近年来,用于甲醛氧化的催化剂主要分为贵金属催化剂和过渡金属氧化物催化剂.贵金属催化剂是将Pt,Pd,Au,Ag等贵金属负载在不同类型的载体上而制得.载体可分为常见载体、传统金属氧化物载体和特殊形貌金属氧化物载体.常见载体是具有较大比表面积的SiO_2,Al_2O_3,TiO_2和分子筛等.这类载体有利于活性位的暴露以及反应物和产物的吸附和扩散,而且还能增强载体和活性组分的协同作用.负载在常见载体上的不同贵金属催化剂,其甲醛氧化活性从强到弱排列是:PtPdRhAuAg.用这种载体制备的催化剂具有很出色的应用前景.比如Na-Pt/TiO_2是甲醛氧化活性最好的催化剂,目前己被应用在空气净化器中,其次是Pt/TiO_2和Pd/TiO_2.传统金属氧化物载体主要是采用沉淀法、共沉淀法制备的CeO_2,Fe_2O_3,Co_3O_4,MnO_2及其复合氧化物,这类载体负载Pt的催化剂仍然具有出色的室温催化性能,如Pt/MnO_x-CeO_2和Pt/Fe_2O_3等.虽然Pt负载型催化剂应用前景很好,但是其成本较高,工业生产和普及受到限制.用传统金属氧化物载体制备的催化剂如Au/CeO_2,Ag/MnO_x-CeO_2和Ag/CeO_2等同样具有良好的发展前景.对于提高甲醛氧化活性来说,载体的选择至关重要.未来研究趋势可能是甲醛氧化负载型催化剂更多的会选择Ag或Au作为活性组分,而一些有潜力的传统金属氧化物载体将被使用不同的制备方法进一步改良.目前,拥有棒状、球状、孔状等特殊形貌的金属氧化物载体因为它们本身的催化活性要优于用沉淀法制备的传统金属氧化物催化剂,因此,将Ag或Au负载在这类载体上制备的催化剂具有更好的应用前景,如三维(3D)有序大孔Au/CeO_2-Co_3O_4,二维有序介孔Au/Co_3O_4-CeO_2和Au/Co_3O_4以及三维有序介孔K-Ag/Co_3O_4等.过渡金属氧化物催化剂,因成本低,资源丰富而受到关注.单一过渡金属氧化物催化剂如锰钾矿型的MnO_2纳米棒或纳米球,介孔MnO_2,Co_3O_4和Cr_2O_3等,具有较好的甲醛氧化催化活性(T_(50)和T_(100)分别小于等于110和140℃).另外,Ce,Sn,Cu和Zr等元素常常被掺杂到MnO_x和Co_3O_4中,制备成复合金属氧化物催化剂,MnO_x-CeO_2具有较好的甲醛催化活性(T_(50)100℃),因为MnO_x和CeO_2较强的相互作用改变了表面活性氧和活性相的数量.目前,复合金属氧化物催化剂氧化甲醛的报道很少.随着制备方法的改变,单一过渡金属氧化物或他们的复合氧化物催化剂可能会成为贵金属催化剂的替代品.目前,如何获得高效、低成本、低温甚至常温去除甲醛的催化剂仍然是一项重要的挑战.特殊形貌的金属氧化物催化剂如3D-Cr_2O_3,3D-Co_3O_4,MnO_2纳米球和纳米棒,在常温下完全转化甲醛仍然是个难以越过的鸿沟.将来,多种形貌的新型纳米金属氧化物及其Au或Ag负载型催化剂的制备和发展会成为一个研究趋势.这种催化剂既能被用于甲醛的催化氧化,也能被用于苯系物或其他VOCs的催化氧化.它能为机动车尾气和工业生产中VOCs产生量的削减提供技术支撑,而VOCs的去除有益于PM2.5浓度的降低和空气质量的恢复.     

共沸蒸馏法制备表面化学改性氢氧化镁纳米颗粒

首次将表面改性剂如硬脂酸、硬脂酸锌或稀土偶联剂加入到传统的共沸蒸馏体系中,使Mg(OH)2纳米颗粒的表面改性和干燥过程同时完成。 通过 XRD、TEM、FT-IR、TG和CAM（接触角测试）等技术手段对样品的结构、形貌和性质进行了表征。 结果表明,表面改性剂不但能够和Mg(OH)2纳米颗粒的表面的OH-离子发生化学反应形成表面修饰层, 减少硬团聚现象,而且还使纳米颗粒表面由亲水性变为疏水性。 另外,对共沸蒸馏法制备表面改性纳米颗粒的机理进行了讨论,为纳米颗粒表面改性提供了一种新思路。     

Controllabe growth of cadmium hydroxide nanostructures by hydrothermal method

We proposed a general hydrothermal strategy for the fabrication of one-dimensional cadmium hydroxide nanostructures.Through controlled experimental conditions, such as solvent properties, salt concentration and alkaline concentration, the different morphologies and dimensions of the final products have been controlled. With this method, Cd(OH)₂ nanowires were prepared readily. XRD, TEM, FESEM and UV-vis absorption spectroscopy were used to characterize the nanowires product, which revealed that the Cd(OH)₂ nanowires consisted of about 30 nm in diameter and length up to several hundreds of nanometers. The optical absorption spectrum indicates that the Cd(OH)₂ nanowires have a indirect band gap of ～2.56 eV. In addition, the as-prepared Cd(OH)₂ nanowires acting as a precursor was converted into porous cadmium oxide through dehydration.     

Layer-by-layer assembly and spontaneous flocculation of oppositely charged oxide and hydroxide nanosheets into inorganic sandwich layered materials

Exfoliated oxide nanosheets such as Ti0.91O2 and Ca2Nb3O10 and layered double hydroxide (LDH) nanosheets of Mg2/3Al1/3(OH)2 were restacked into inorganic sandwich layered materials. Sequential adsorption of these oppositely charged nanosheets from their colloidal suspensions yielded multilayer ultrathin films while their simple mixing produced lamellar flocculates. Eliminating carbonate ions from the reaction system was found to be essential for successfully achieving the sandwich structures. The flocculated materials as well as the films were characterized by atomic force microscopy (AFM), UV-visible absorption spectroscopy, X-ray photoelectron spectroscopy, X-ray diffraction (XRD), transmission electron microscopy (TEM), and chemical analysis, which all supported the formation of the ordered sandwich structures. AFM observations revealed alternate dense tiling of LDH nanosheets and oxide nanosheets onto a substrate surface. UV-visible absorption spectra exhibited progressive enhancement of optical density due to oxide nanosheets as a function of deposition cycles, providing strong evidence for regular growth of multilayer films. The combinations of Mg2/3Al1/3(OH)2/Ti0.91O2 and Mg2/3Al1/3(OH)2/Ca2Nb3O10 produced XRD Bragg peaks having multilayer spacings of 1.2 and 2.0 nm, respectively. These basal spacing values are compatible with the sum of thickness of LDH nanosheets and corresponding oxide nanosheets. TEM images of flocculated samples displayed lamellar features with two different constituent layers appearing alternately.     

纳米晶镁铝水滑石的制备及其热分解机理

研究了无机阻燃剂镁铝水滑石纳米晶的制备及其热分解机理.采用常压下,一步反应的液相法制备镁铝水滑石试样，用XRD和TEM测试试样的相组成和形貌，针状镁铝水滑石纳米晶体的长度约80 nm.依据DSC和DTA-TG测试结果，发现镁铝水滑石纳米晶的热分解由两个阶段组成:第一个吸热峰出现在220 ℃左右，第二个吸热峰出现在380 ℃左右.研究了反应时间对所得镁铝水滑石试样的热分解性能的影响，发现延长反应时间，镁铝水滑石试样的第一次、第二次热分解的起始温度升高,第一次热分解的失重值增大，最后剩余氧化物的量增大，从而增强镁铝水滑石阻燃剂的阻燃性能.根据不同升温速率下获得的DSC测试数据，应用Achar微分法、Šatava-Šesták积分法和Ozawa积分法对镁铝水滑石纳米晶热分解的第二个阶段进行了动力学计算和分析，确定该段的热分解机理函数积分式为(1－α)－1－1.     

经不同浓度FeCl_2溶液处理的γ-Fe_2O_3/Ni_2O_3复合纳米微粒的结构及磁性研究

使用化学共沉淀法制备FeOOH/Ni(OH)_2前躯体,经FeCl_2溶液处理后得到表面包裹2FeCl_3·5H_2O层的γ-Fe_2O_3/Ni_2O_3复合磁性纳米微粒。分别制备了经不同浓度FeCl2溶液处理后的复合磁性纳米微粒,并通过振动样品磁强计(VSM)、X射线衍射仪(XRD)、透射电子显微镜(TEM)和X射线光电子能谱仪(XPS)对样品的结构和磁性能进行分析。实验结果表明,微粒的磁性并不随FeCl_2处理液浓度的增加而单调变化。文中系统分析了FeCl_2溶液浓度对所制备微粒的磁化性质、形态及化学成分的影响。     

Effect of the Atmosphere on the Products of Arc Plasma Method

Plasma techniques have been used to synthesis of metal, metal compounds, and surface modification. In that processing, atmosphere is more important to the compositions and properties of nanoparticles and films. We found that the atmosphere has not only effected the compositions, but also plays a significant role on the morphologies of the products. By changing atmosphere based on different requirement, we obtained spherical Mn₃O₄ nanoparticles, mixture of hexangular Mn₃O₄ nanosheets and Mn+3O(OH) nanorods, and Mn₆N_2.58 nanoparticles coated with graphite layer. The compositions, structure and morphologies of the products were determined by x‐ray diffraction (XRD) and transmission electron microscopy (TEM), and electron diffraction (ED). Finally, we preliminarily discussed the reason of the effect of the atmosphere to the final products of arc plasma method.     

α-Al2O3纳米片的自燃烧法控制合成及其抛光性能

以硝酸铝和甘氨酸为原料, 采用自燃烧法, 在不改变制备工艺的前提下, 通过调整原料的配比, 成功实现了α-Al2O3由纳米粒子到纳米片的可控合成, 获得了分散性良好、尺寸均一的α-Al2O3纳米片. 并通过扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外(FTIR)光谱、热重-差示热分析法(TG-DTA)等手段对产物形貌、结构及前驱物的热性质等进行了研究. 系统探讨了α-Al2O3纳米材料不同形貌和尺寸对其抛光性能的影响, 结果表明, 尺寸小且为片状纳米结构的α-Al2O3具有最佳抛光性能. 这些实验结果对于α-Al2O3纳米材料的工业生产及其在抛光领域的实际应用具有借鉴意义.     

Fabrication of silica nanoparticles and hollow spheres using ionic liquid microemulsion droplets as templates

Silica products with two different morphologies were synthesized using nonaqueous ionic liquid microemulsion droplets as templates. The morphologies of the obtained products were characterized by both transmission electron microscopy (TEM) and scanning electron microscopy (SEM). By adjusting the reaction conditions, ellipsoidal nanoparticles were formed under acidic conditions, while hollow silica spheres were obtained under alkaline conditions. It is demonstrated that the size distribution of hollow silica spheres was narrower than that of the ellipsoidal nanoparticles. The various vibration modes of different functional groups in the silica materials were revealed by Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy. The two samples were both shown to be amorphous, not crystalline by X-ray diffraction (XRD). A simple diagram of the formation process including the hydrolysis and condensation reactions is given. Furthermore, a probable mechanism for the formation of silica materials under acidic or alkaline conditions is presented, which may be helpful for better understanding the different silica materials obtained under different conditions.     

锑掺杂二氧化锡实心球和空心球的碳还原制备及其生长机理研究

通过在水平管式炉中用石墨还原锑掺杂二氧化锡(ATO)纳米颗粒的方法制备了ATO的实心球和空心球, 并用EDX和XRD等技术分析了产物的物相和元素组成; 用FE-SEM和TEM观察了其形貌; 用HRTEM分析了其晶格结构. 结果表明, 产物为直径0.2~5 μm的ATO实心球和直径为2~20 μm的ATO空心球. 通过控制Ar流速和沉积位置控制了ATO实心球的尺寸和产量, 用Ostwald Ripening分析了ATO实心球的生长过程. ATO空心球的制备在具有较高氧浓度、长度稍长于刚玉管的陶瓷管中进行, 对其生长机理进行了讨论, 分析了相同条件下使用不同材质的管子生成不同形貌产物的原因.     

室温固相化学反应法合成Cd(OH)2纳米棒

在表面活性剂聚乙二醇(PEG)存在下,利用Cd(Ac)2·2H2O,CdCl2·2.5H2O,3CdSO4·8H2O和CdCO3分别与NaOH在室温下进行固相化学反应,合成了一系列的Cd(OH)2纳米棒,并利用XRD,TEM和SEM对其结构和形貌进行了表征.实验结果表明,表面活性剂PEG在Cd(OH)2纳米棒的形成过程中充当软模板,对产物形貌的控制起到决定作用.利用这种表面活性剂辅助的软模板固相化学反应法合成一维纳米材料,具有简便易行、反应条件温和以及能耗低等优点.