中空花生状氧化铜的制备及催化性能研究

论文总字数：14620字

摘 要

本文中，在水溶性高分子羧甲基纤维素钠晶体生长调节剂存在的条件下，通过水热法大面积合成了新颖中空花生状CuO。通过X射线衍射(XRD)，场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)和透射电子显微镜(TEM)表征研究所得到的样品，提出了中空花生状CuO可能的形成机理。此外，对所得CuO样品的催化性能进行了研究，发现这些具有中空花生状结构的CuO有很好的加快高氯酸铵(复合固体推进剂的重要的氧化剂)热分解的能力。

关键词：氧化铜，花生状，中空

Abstract: In this study, novel peanut shaped CuO hollow architectures have been synthesized on a large scale through a facile one-pot hydrothermal method in the presence of water-soluble biopolymer sodium carboxymethyl cellulose as crystal growth modifiers. The as-obtained samples were investigated by a set of characterizations including field emission scanning electron microscope (FE-SEM), transmission electron microscope (TEM) and X-ray diffraction (XRD) pattern. A possible formation mechanism of this kind of peanut shaped CuO hollow architectures has also been proposed. Furthermore, the catalytic properties of as-obtained samples were investigated. It was found that these as-obtained peanut shaped CuO hollow architectures have good abilities to accelerate the thermal decomposition of ammonium perchlorate, an important oxidizer in composite solid propellants.

Key words: Cupric oxide, peanut shaped, hollow

目 录

1 引言 4

1.1纳米材料的概述 4

1.1.1纳米材料的定义 4

1.1.2 纳米材料的奇异特性 4

1.1.3 纳米材料的应用 4

1.1.4 纳米材料的制备 6

1.2 纳米氧化铜的应用和制备 6

1.3 本文主要研究内容 7

2 实验部分 7

2.1 仪器和试剂 7

2.1.1仪器 7

2.1.2 试剂 8

2.2 实验部分 8

2.2.1材料合成 8

2.2.2 材料表征 8

3 实验结果与讨论 8

3.1 X射线衍射表征结果 8

3.2 SEM和TEM表征结果 9

3.3 生长机理探索 10

3.4 催化分解性能研究 10

结 论 12

参 考 文 献 13

1 引言

1.1 纳米材料的概述

1.1.1 纳米材料的定义

纳米材料又称超微细材料，是由超微颗粒——绝大多数是晶体，其特征尺寸在纳米量级（通常指1 – 100 nm）——组成的固体材料^[1]。图1为各种纳米结构的照片。从广义上讲，纳米材料是指三维空间尺寸中至少有一维处于纳米量级的材料^[2]。从狭义上讲，则主要包括纳米微粒及由它构成的纳米固体（体材料与微粒膜）^[3]。纳米是长度单位量度，1 nm = 10^-9 m，大约为4到5个原子排列起来的长度。

图1 各种纳米结构的照片：（a）纳米颗粒，（b）纳米线，（c）纳米带

1.1.2 纳米材料的奇异特性

随着物质超微化，纳米材料表面电子结构和晶体结构也随之发生变化，进而使其具有一系列特异效应。

（1）表面效应：表面效应是指纳米粒子表面原子与总原子数之比随原子粒径的变小而急剧增大后所引起的性质上的变化^[4]。当粒径减少到纳米量级时，纳米粒子表面原子数增多，表面原子配位数不足，极容易与其它原子结合而稳定，使粒子存在很大的化学活性。由于纳米粒子存在表面效应，因而产生粒子表面过剩电荷、电荷载流子的相互作用、粒度控制等研究课题^[5]。

（2）小尺寸效应（或体积效应）^[6]：颗粒尺寸的量变，在一定条件下会引起颗粒性质的质变。这是由于决定物质性质的正是纳米层次（介于物质宏观结构与微观原子、分子结构之间的层次）的有限分子组装起来的集合体^[7]。解释了银的常规熔点为670 ℃，而超微银颗粒的熔点可低于100 ℃，这将对粉末冶金工业有利；鸽子、海豚等以及生活在水中的趋磁细菌等生物体在磁场导航下能辨别方向，具有回归的本领；纳米陶瓷材料较普通陶瓷材料具有良好的韧性。

（3）量子尺寸效应^[8]：量子尺寸效应是指对于超微颗粒而言，大块材料中连续的能带将分裂为分立的能级，能级间的间距随颗粒的减小而增大，其热能、电场能或磁场能就会呈现出反常特性，如高度光学非线性、特异性催化和光催化性质、强氧化性和还原性^[9]。

（4）宏观量子隧道效应：量子隧道效应一般是一种微观现象，它是从粒子具有波粒二象性的观点出发的，解释粒子能够穿越比总能量高的势垒。近年来，人们发现一些宏观量也具有隧道效应，它们可以穿越宏观系统的势垒产生变化。宏观量子隧道效应限定了磁带、磁盘信息存储的时间极限^[10] ，因此其研究对发展微电子器件将具有重要的理论和实践意义。

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