CeO_2纳米材料水热合成和性能研究

【摘要】作为一种廉价且用途广泛的稀土氧化物,二氧化铈(CeO2)因其特有的光学性能、氧存储能力、高机械抛光强度和Ce3+与Ce4+之间的循环能力在荧光材料、机械抛光、燃料电池和光催化等方面具有广泛的应用前景。研究表明CeO2所表现出来的性质受形貌、晶格常数、颗粒大小和缺陷的影响。利用水热法制备CeO2纳米材料。使用X射线衍射(XRD,XD-3)分析产物的晶相；用透射电子显微镜(TEM,JEM-2100)和扫描电子显微镜(SEM,S-4800)分析产物的形貌；使用紫外可见近红外分光光度计(UV-VIS-NIR,U-4100)测定样品的吸收谱；使用荧光光度计(PL,F-4500)测量样品发光光谱,激发波长λ=290nm；使用综合物性测量系统(PPM,SPPMSEC-Ⅱ(9T))测量产物磁滞回线；使用激光显微共聚焦拉曼光谱仪(Raman,inVia-Reflex)测量产物的拉曼光谱,激发波长λ=532nm；使用X射线电子能谱仪(XPS,ESCALAB250)测量分析产物表面的成分和表面元素化学状态。研究内容如下：1.采用水热法,以CeCl3·7H2O为铈源、水合肼为沉淀剂、乙二胺为络合剂,通过改变乙二胺的用量来制备四种CeO2粉体。乙二胺用量的改变可引起CeO2样品带隙的变化,随着乙二胺用量的增加,CeO2样品的带隙先增加后减小,当加入6mL乙二胺时,CeO2样品带隙发生了明显的红移。当加入5mL乙二胺时,CeO2样品的荧光强度最大。2.采用水热法,以CeCl3·7H2O为铈源、NaOH为矿化剂、乙二胺为络合剂,通过改变反应时间来制备直径为15-25nm、长为300-900nm的纳米棒。XRD与选区电子衍射(SADE)结果表明所得产物为CeO2。六个产物能带间隙比块状CeO2带隙小0.08-0.38eV。X射线光电子能谱显示样品Ce3+浓度高于20%。实验所制备的六个样品都呈现室温铁磁性。带隙小于2.92eV时,六个样品的饱和磁化强度随着带隙的增加而增加,带隙超过这个值时,饱和磁化强度随着带隙的继续增加反而减小。反应100小时制得的纳米棒具有最大的饱和磁化强度0.167emu/g。CeO2纳米棒室温铁磁性起源与氧空位与Ce3+离子有关。3.采用水热法制备出四种未掺杂的CeO2纳米颗粒,根据测试结果分析得出未掺杂CeO2磁性随着氧空位的增加而增加。根据产物建立晶胞结构理论研究未掺杂CeO2铁磁性起源,能态密度泛函理论计算结果显示CeO2中的氧空位能引起Ce的可电子的自旋极化和样品的净磁矩。这项研究发现可能有助于开发具有实际应用的磁性可控的CeO2纳米结构。
【作者】王雷妮；
【导师】孟凡明；
【作者基本信息】安徽大学，材料物理与化学，2014，硕士
【关键词】CeO2；水热法；纳米材料；磁性；光学性能；

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