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二氧化锆(ZrO2)基功能、结构材料是一类重要的无机材料，已广泛应用于特种陶瓷、催化剂、氧探测仪、燃料电池等化工、环保领域。目前，所有与ZrO2有关的材料的制备与表征过程中均需经过合格粉体材料的制备这一工序，但由于ZrO2的表面能大，一般需经过焙烧的方法都造成了粉体的严重的团聚，且容易造成结构不均匀。氧空位是提供结构稳定性的重要结构单元，但是其作用机理并不完全局限于这一单一的效果。而对ZrO2中的氧空位的研究方法、及其对相关的晶体结构、化学性质、光学性质等影响的系统研究尚不完善，是当前对ZrO2的研究中较薄弱的环节。
本文采用不需经过焙烧过程即可获得合格粉体的液相环境为体系，以水热法、溶剂热法分别制备了纯ZrO2、Y2O3掺杂ZrO2、Sm2O3掺杂ZrO2、CeO2-ZrO2固溶体微、纳米粉体以及CeO2-ZrO2介孔材料，获得了一系列结构单一、性能优异的样品。采用X-射线衍射(X-raydiffraction，XRD)结合Rietveld结构精修、扫描电子显微镜(scanningelectronic microscope，SEM)、(超高分辨率)透射电子显微镜(high-resolution transmission electronic microscope，(HR)TEM)、X-射线能量分布谱(X-ray energy spectrometer，EDS)、激光拉曼光谱(Ramanspectrometer，Raman)、X-射线光电子能谱(X-ray photoelectronspectrometer，XPS)、紫外-可见光分光光谱(ultraviolet to visiblespectrometer，UV-vis)、荧光分光光度计(photoluminescencespectrometer，PL)、差示扫描量热/热重(differential scanning calorimeter/thermal gravimeter，DSC/TG)、程度控温还原(temperature programmedreduction，TPR)、傅利叶变换红外吸收光谱(Fourier transformationinfrared absorption spectroscopy，FTIR)、原位红外漫反射光谱(in situinfrared diflusion spectoscopy，in situ IR)等研究产物的结构、形貌、成分、光学性质以及氧化-还原性质，综合分析了制备条件对产物性质的影响和原因，特别以各种新颖的方法和技术分析样品中的氧空位，着重研究了氧空位在所获样品中的关键作用和相关机理，取得了如下结果：
1.采用溶剂热法，在酸性、中性和碱性条件下获得了ZrO2粉体，在碱性条件下获得了Y2O3掺杂的ZrO2粉体(YDZ)和Sm2O3掺杂的ZrO2粉体(SDZ)，所有产物均由初次粒子直径为10nm左右的纳米颗粒团聚而成无规则形状的亚微米级颗粒。在酸性环境中得到的纯ZrO2粉体结构以单斜相为主，而在中性环境中的为无定型结构，在碱性环境中的为单斜相和四方相的混合物。以4.0mol％Y2O3掺杂ZrO2粉体成功制备了单一晶相亚稳态t'-相四方相粉体，但以Sm2O3掺杂ZrO2粉时，需以8.0mol％Sm2O3掺杂获得完全稳定的立方相FSZ粉体，为相关结构陶瓷材料的合成指明了方向。所获粉体均在蓝紫色光区域(300nm～550nm)有多个发光带，归属于氧空位捕获电子形成的F-色心或缔合中心产生的发光带，稀土离子的本征发光被淬灭。提出了一幅位形坐标图，用以解释(掺杂)ZrO2粉体的能级跃迁和弛豫引起的发光性能，其中，氧空位单独形成了一个新的能级，可吸收多种跃迁到激发态的电子，随后再跃迁产生发光。综合分析氧空位在(掺杂)ZrO2粉体中的作用表明：由于+3价离子掺杂、离子还原、表面氧溢出等的原因，在ZrO2内部形成了大量的氧空位，它们不仅在立方和四方结构稳定至室温起着关键的作用，还是离子还原的来源、蓝紫色荧光的发光中心、以及稀土离子荧光的淬灭剂。
2.以溶剂热法制备了成分逐渐变化的一系列CexZr1-xO2(x=0～1.0，CZ)粉体，产物由粒径为10nm左右的初级粒子团聚成无规则形状的颗粒。着重分析了产物的氧化-还原性质、储氧能力(OSC)和释氧可重复性。随CeO2含量的增高，产物的结构逐渐从两相混合物向均一的固溶体过渡，根据计算，ZrO2在CeO2中的固溶度为33.12mol％。产物具有完全可逆的吸氧-释氧能力，在惰性气氛中重复三次以上无任何释氧能力的降低，以H2为还原媒介测得的最大释氧量出现在Zr：Ce=1:1的样品中，其OSC值达0.44 mol O2/mol Ce。经分析其大的释氧量来源于Ce4+离子和Zr4+离子的分步还原，且随着还原的加深，原本为ZrO2和CZ混合物的物相转变成了由固溶体和烧绿石两相组成的混合物，本文发现了这一转变过程的中间状态。其成因是大量的Cd4+和Zr4+离子先后被还原，晶体表面和内部均形成大量氧空位，引起晶体结构的收缩而产生烧绿石相，释放出氧成为较大OSC的来源。被H2还原的过程中，样品表面可同步吸附-OH，以吸附的-OH为探针分析了表面氧空位的形成规律：本文制备的CZ固溶体材料在还原的时候，-OH吸附于与Zr相联的O和与Ce相联的O原子上，且优先吸附于与Ce相联的O离子，特别是重复还原过程中H2优先与与Ce相联的O反应，充分验证了稀土离子Ce4+在储氧有关的催化剂中的关键作用。
3.以三种Gemini表面活性剂、CTAB、P123等为模板剂，分别以水热法、络合-解络合水热法以及溶剂挥发诱导自组装(EISA)法制备了纯ZrO2和Ce0.5Zr0.5O2固溶体介孔材料(M-CZ)，研究了产物的氧化一还原性质、储氧能力(OSC)和释氧可重复性，并分析了以Gemini和CTAB为模板时介孔材料的形成机理。纯ZrO2介孔粉体的比表面积达151.9m2·g-1，最强发光峰位于376nm的紫色光区，但焙烧后的样品介孔结构坍塌，最强发光峰明显红移至464nm，前者较后者的发光强度高2倍以上，但所有的发光峰仍然属于氧空位形成的发光中心。水热法和EISA法制备的产物均是由粒径为15nm左右的纳米颗粒堆积而成的二次孔，并伴随有少量的有序孔道，产物的最大比表面积为179.6m2·g-1；而以络合.解络合水热法制备的产物为高度有序的介孔材料。介孔孔道结构的引入大大提高了M-CZ样品的氧化-还原性能，表现在具有更高的固溶均匀度、更高的储氧能力和氧可逆释放能力以及更集中的还原区段，产物的最大OSC值达0.58 mol O2/molCe，且多数样品的OSC值高于由溶剂热制备的CZ介孔粉体。纳米颗粒构成的孔壁有效的提高了产物的结构稳定性，在H2中经800℃还原2h后仍然保持了立方结构。氧空位在M-CZ材料中起着提供氧化.还原通道、获得更高的OSC值的作用。
本论文旨在研究二氧化锆基功能粉体的液相法制备与相关性质，着重研究氧空位在以ZrO2为基础的典型材料中的作用及其机理。以溶剂热法制备的t'-相YDZ和立方相SDZ可为陶瓷和功能元件及粉体的制备提供新的途径；设计的考查CZ类催化剂的方法可为相关研究领域提供新的思路和可行的实验技术；提出的解释ZrO2基粉体材料发光性质的位形坐标图可为本领域的研究提供一定的参考；提出的新型络合-解络合工艺可为复杂成分介孔材料的制备提供崭新的思路；本文制备的ZrO2基功能材料有望在高技术陶瓷、汽车尾气催化净化剂等领域得到广泛应用，获得的数据和实验经验可为研究ZrO2基粉体材料的制备和相关制品的生产提供理论基础和技术保障。