微结构可控稀土纳米材料的制备、结构及应用

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纳米配位聚合物(coordination polymer, CP)是一类无机金属离子和有机桥联配体通过配位作用形成的有机无机杂化纳米材料。配位聚合物纳米材料的形貌和大小严重依赖合成条件,如反应温度、反应物浓度、溶剂、pH等。  本文通过调节反应温度、反应时间、溶剂和添加剂三乙胺(TEA)制备了多种形貌的Gd-BTA(BTA=1,2,4,5-benzenetetracarboxylic acid)配位聚合物纳米材料。详细研究了Gd-CPs颗粒生长的影响因素,揭示了纳米粒子形成的机制。其中,添加TEA加速了晶体成核和生长速率,使得溶液瞬间达到过饱和,从而从母液中析出尺寸更小形貌更均一的纳米粒子。在TEA和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)的作用下,我们采用旋涂法将分散在水中的Gd-CP纳米粒子涂覆在玻璃表面对其进行修饰。采用相同的合成方法,在TEA的作用下我们成功地合成了易在溶剂中分散的Tb-BTA纳米粒子,并且将其均匀地混合到甲基纤维素中,制备了一张在自然光照下无色透明,紫外激发下发出绿色荧光的薄膜。  配位聚合物由于有各式各样可供选择的有机配体和无机离子,它的形貌大小、结构和化学组成成分等灵活多变,使得材料成为制备金属氧化物的最佳前驱体之一。本文中采用络合沉淀法制备了基于有机配体BTA的配位聚合物纳米片。以配位聚合物为前驱体,经过煅烧之后得到了纯氧化铈纳米片和均匀掺杂La3+或Cu2上的氧化铈纳米片。得到的金属氧化物不仅保持了前驱体原有的形貌,并且对CO氧化反应具有很高的催化活性。纯CeO2纳米片在360℃对CO催化氧化反应的转化率可达60%,相比之下,商业氧化铈在该温度下几乎没有活性。当在CeO2中掺入Cu2+时,由于Cu2+在CeO2晶格中均匀掺杂,材料的催化性能显著提高了。另外,Cu2+的掺入使得CeO2晶格中形成了更多氧空位,提高了材料的储氧能力,加快了O2-在晶格中的流动,最终提高了催化活性。Cu0.1Ce0.9O2-δ和Cu004Ce0.96O2-δ催化剂对应的50% CO转化率的温度(T50)分别为83和95℃。La3+掺杂的CeO2纳米片比纯氧化铈纳米片的催化活性更低。  4-氨基苯酚是合成药物、防腐蚀材料、有机染料等的重要中间体。因此,4-硝基苯酚还原合成4-氨基苯酚是值得深入研究的化学反应。本文中,我们以合成的100-200 nm球状CeO2为载体,制备了CeO2 spheres@Au和CeO2 spheres@Au/Ni催化剂,并研究了其对4-硝基苯酚还原反应的催化活性。研究结果表明,采用硼氢化钠还原法,在CeO2 spheres@Au的催化作用下,该反应的反应速率常数为0.4 min-1。在催化剂CeO2 spheres@Au/Ni的催化下,反应速率常数增大到1.4 min-1。同时我们也计算了反应的TOF值,CeO2 spheres@Au和CeO2spheres@Au/Ni催化剂计算得到的TOF分别为1.07和8.25 min-1。对比结果可以看出,微量Ni的沉积大大促进了催化剂活性的提高。制备的催化剂同时具有很好的稳定性,在经过7次循环反应后,催化剂的催化活性几乎没有降低。
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