過渡金屬氧化物納米結構的制備及其性能研究.pdf

1、過渡金屬氧化物納米材料具有豐富、獨特的物理化學性能，因而在催化、光催化、探測、光電器件、能源存儲等領域都有廣闊的應用潛力，因此吸引了世界范圍內眾多學者的研究興趣。而且由于納米材料的形貌與其性能有著非常重要的聯系，因此，對納米材料形貌的可控合成以及機理探索是當今納米科學領域的一個核心工作，具有重要的科學與工程意義。
　　本文，通過簡單的制備方法，分別合成了低維的Mn3O4以及CuO納米材料。通過探索反應條件對最終產物的影響，揭示了形

2、貌控制的科學機理。同時，通過對材料相關物理化學性能的研究，總結了結構與性能之間的聯系，為提高其性能提供了基礎，具有重要的指導意義。具體內容如下:
　　1、通過控制合適的合成條件（氣氛、反應物等），在常溫水溶液中制備出了單晶胞厚度的Mn3O4超薄納米片，其厚度在1nm左右，橫向尺寸在微米級，展示了非常高的長徑比。磁學性能研究結果表明:該Mn3O4超薄納米片具有低的居里溫度Tc(39.5 K)、低的阻塞溫度TB(38 K)、低的飽和磁

3、化強度Ms(20emu/g)以及高的矯頑力Hc(5800 Oe)，體現了明顯的形貌、尺寸效應。
　　2、通過熱分解法實現Cu(OH)2納米線結構的拓撲轉換，獲得了超細的CuO納米線，其直徑在3nm左右，長度達到微米級，有非常高的長徑比。而超細納米線作為鋰離子電池負極材料具有擴散距離短，比表面積大等特點，所制備的CuO超細納米線表現出良好的鋰離子電池負極材料的電化學性能。在0.1C的充放電電流密度下經過20次循環后，其放電容量能保持

4、在500 mAh/g。
　　3、通過引入異質金屬離子實現了對CuO納米材料的形貌從二維納米片到三維納米顆粒的調節。并對其調節機理作了深入的研究，發現:(1)異質金屬離子的加入對最終產物物相的影響:在加入異質金屬離子后，最終的產物由異質金屬氫氧化物M(OH)n與Cu(OH)2的溶解度決定，當M(OH)n的溶解度大于Cu(OH)2的溶解度時，最終的產物為CuO。當M(OH)n的溶解度小于Cu(OH)2的溶解度時，最終的產物為異質金屬M

5、的相關化合物;(2)異質金屬離子對反應動力學的調節機理:異質金屬Mn+離子通過與水溶液中的OH-以及AE形成各種形式的配合物中間體，實現對溶液中和OH-離子濃度的調節，從而影響了反應速率，進一步對反應產物的形貌進行影響;(3)異質金屬Mn+離子對反應動力學的影響程度:異質金屬Mn+離子能夠使反應放慢的程度由其相應的氫氧化物M(OH)n的穩定性決定。M(OH)n的穩定性越高，其釋放OH-離子的速率越慢，最終的反應速率也就越慢，反之也成立;

6、(4)反應動力學對最后產物的形貌的影響:反應速率越快，最后得到的產物為長軸與短軸長度比越大的橢圓形CuO納米片，反應速率越慢，最后得到的產物為球形納米顆粒;
　　4、通過常溫水溶液法合成了介孔CuO納米片，該納米片具有以下結構特征:大的比表面積以及多孔結構。而且該介孔CuO納米片表現出非常好的CO氧化反應催化活性，在200℃的反應溫度時，CO氧化轉化速率達到47.77mmolcog-1 cath-1，為商業化CuO粉末的CO氧化反