棒状二氧化铈镀银及其性能研究

论文总字数：9838字

摘 要

将N,N-二甲基甲酰胺（DMF）和水（H₂O）的混合，用磁石搅拌均匀后，加入六水和硝酸铈（Ce(NO₃)₃.6H₂O）、甲酸（HCOOH）、表面活性剂（PVP）以及金属盐AgNO₃，采用水热合成法制备棒状镀银甲酸铈, 并以此为前躯体制备镀银的二氧化铈（CeO₂）光催化材料。对水热合成的产物棒状镀银甲酸铈以及煅烧甲酸铈得到产物棒状镀银二氧化铈进行一系列表征，包括扫描电子显微镜（SEM）、热重分析（TGA）、X-射线衍射分析（XRD）、比表面分析（BET）、可见-紫外光谱（UV）。又分析讨论了PVP和AgNO₃的不同用量以及反应时间对甲酸铈的大小和形貌有何影响。

关键词：棒状二氧化铈，镀银，水热合成法，光催化性能

Abstract：Mixing N,N-dimethylformamide (DMF) and water (H₂O) withstirring and adding hexahydrate and cerium nitrate (Ce(NO₃)₃.6H₂O), formic acid (HCOOH), surfactant (PVP) and the metal salt AgNO₃, a rod-shaped silver-platedceriumformatewas prepared by hydrothermal synthesis, andsubsequently，a silver-platedcerium oxide (CeO₂) photocatalytic material was prepared through decomposing the cerium formate precursor. A series of characterizations for the rod-likesilver-platedceriumformateandceriumoxide have been operated, including scanning electron microscopy (SEM), thermogravimetric analysis (TGA), and X-ray diffraction analysis (XRD), specific surface analysis (BET) and visible-ultraviolet spectrum (UV). The different amounts of PVP and AgNO₃ and the influence of reaction time on the size and morphology of cesium formatehavealsobeenstudied.

Keywords：Rod-shaped cerium oxide, silver plating, hydrothermal synthesis, photocatalytic performance

目 录

1. 前言 3

2. 实验内容 4

2.1 实验所用仪器设备 4

2.2 实验所用药品及试剂 4

2.3 前驱体棒状镀银甲酸铈制备的实验步骤 4

2.4 棒状镀银二氧化铈制备的实验步骤 5

2.5 棒状镀银二氧化铈的BET实验 5

2.6 棒状镀银二氧化铈的光催化实验 5

3. 实验结果与分析 5

3.1 前驱体棒状镀银甲酸铈的XRD分析 5

3.2 前驱体棒状镀银甲酸铈的热重分析 6

3.3 前驱体棒状镀银甲酸铈的形貌分析 6

3.3.1 不同反应时间对棒状镀银甲酸铈形貌的影响 7

3.3.2 不同用量的PVP对棒状镀银甲酸铈形貌的影响 8

3.3.3 不同用量的AgNO₃对棒状镀银甲酸铈形貌的影响 9

3.4 煅烧棒状堆积镀银甲酸铈得到棒状堆积镀银二氧化铈 10

3.4.1 棒状镀银二氧化铈的XRD分析 11

3.4.2 棒状镀银二氧化铈的SEM 分析 11

3.4.3 棒状镀银二氧化铈的BET分析 12

3.4.4 棒状镀银二氧化铈的UV分析 13

3.4.5 棒状镀银二氧化铈的光催化性能分析 13

4. 结论 15

5. 参考文献 16

6. 致谢 17

1. 前言

1972年，在《Nature》杂志上，有两名日本科学家第一次研究了用二氧化钛（TiO₂）电极分解水制氢。就在此杂志发表过后，光催化技术成为了科学界日益关注的焦点^[1]。因污染物短时间内不会自行降解，故需要外力帮助，我们把光催化剂加入污染物中，经太阳光的照射，这些半导体材料会加速将污染物降解或矿化，使之转化为对环境无污染的产物，这一过程就称为光催化。

这种技术除纯化空气和水外，在杀灭细菌和病毒类微生物、癌细胞失活，消除异味，产氢，固氮，捕获石油泄漏等方面也有广泛的应用^[2]。光催化技术作为一种高效、安全的环境友好型净化技术，对室内空气质量的改善也已得到国际学术界的认可^[3]。

像二氧化钛、氧化锌、二氧化铈等材料都具有光催化作用，其中，二氧化钛应用最广泛，因二氧化钛氧化能力强、化学性质不活泼并且没有毒性。有些催化剂在紫外光的照射下，不仅会发生光催化反应，也会伴随一些副反应，比如光溶解反应会溶出有毒的金属离子。因此开发新型的、具有良好光催化性能的、副反应少的环保材料对于我们的环境治理具有重要意义^[4]。

此论文研究的是棒状镀银二氧化铈（CeO₂），在很多领域中都有二氧化铈的影子，像太阳能电池、汽车尾气处理、抛光技术、光催化等等^[5-6]。在制备棒状镀银二氧化铈的过程中，改变一些反应条件，二氧化铈可以表现出多种尺寸大小、形貌各异的化合物，不同形貌的二氧化铈有不同的应用性能，科故学家们在研究二氧化铈的不同性能的时候通常会从改变形貌入手。

制备CeO₂的方法有很多，其中超声法、水热法和电化学合成法被广泛应用^[7]，此论文使用的是水热合成法制备棒状镀银二氧化铈。水热合成法是以液体作为介质，我们把混合好的液体转入反应釜，在此条件下合成我们需要的产物。在水热条件下，水不仅仅是溶剂，也可以作为矿化剂参与反应。烘箱可以提供一定的温度，密闭的反应釜使受热蒸发的水蒸气无处逃逸，故形成了高压。水热法可直接制备纳米CeO₂，制得的产物具有粉末细、纯度高、分散性好、均匀、晶型好、形貌可控等特点^[8]。二氧化铈本身就具备很好的光催化性能，若镀上金属，则光催化性能更会大大提高。

本论文采用水热合成法，通过控制变量的途径，来研究不同的反应时间、表面活性剂（PVP）以及金属盐AgNO₃的用量，来制备不同形貌和尺寸的金属配合物棒状镀银甲酸铈，通过煅烧棒状镀银甲酸铈得到棒状镀银二氧化撒。最后采用X-射线衍射分析（XRD）、可见-紫外光谱（UV）和比表面分析（BET）等结构表征来研究棒状镀银甲酸铈和棒状镀银二氧化铈的各种性能。

1. 实验内容

2.1实验所用仪器设备

800型0406-1离心机，常州国华电器有限公司；GZX-9146MBE电热恒温鼓风干燥箱，上海博迅实业有限公司医疗设备厂；DHG-9078A型电热恒温鼓风干燥箱，上海精宏实验设备有限公司；JYYB-4四联异步数显磁力搅拌器；C20孔烘干器，南京文尔仪器有限公司；HC-3018高速离心机，安徽中科中佳科学仪器有限公司；X-射线衍射仪；热重分析仪；场发射扫描电子显微镜(FESEM)，美国FEI公司；固体紫外漫射仪； UV-1100分光光度计; SX马弗炉，山东省龙口市医疗器械厂；电子精密天平。

2.2实验所用药品及试剂

85%甲酸（HCOOH）、六水合硝酸铈（Ce(NO₃)₃.6H₂O）、N,N-二甲基甲酰胺（DMF）、蒸馏水（H₂O）、表面活性剂（PVP-K90）、硝酸银（AgNO₃）、无水乙醇。

2.3前驱体棒状镀银甲酸铈制备的实验步骤

实验中，取一个50 mL的洁净干燥的烧杯,记作1号烧杯，用移液管移取10 mL水（H₂O）和5 mLN,N-二甲基甲酰胺（DMF）加入1号烧杯中，用镊子夹取一个洁净干燥的磁石放入1号烧杯中，把1号烧杯放置于磁力搅拌器上，使溶液混合均匀。用电子天平称量0.2426g六水合硝酸铈（Ce(NO₃)₃.6H₂O）加入1号烧杯，继续搅拌使之完全溶解，得到无色透明溶液。用电子天平称量0.1010g表面活性剂（PVP-K90）加入1号烧杯中，继续搅拌至全溶。再取一个50 mL的洁净干燥的烧杯，记作2号烧杯。用移液管移取1 mL85%甲酸（HCOOH）和9 mL水（H₂O）加入2号烧杯中混合均匀，配置成新制甲酸溶液，移取0.81 mL新制甲酸溶液加入1号烧杯，搅拌10分钟。用电子天平称量0.0178g硝酸银（AgNO₃）加入1号烧杯，继续搅拌至全溶。将所得混合溶液转移至60mL反应釜中，放入90℃烘箱中反应3天。待反应结束，关闭烘箱，使之自然冷却。冷却至室温之后取釜，用无水乙醇、离心机洗涤产品三次，得到的固体沉淀转移到一个洁净干燥的表面皿上，放于60℃ 的烘箱内烘干，得到银灰色固体。

2.4棒状镀银二氧化铈制备的实验步骤

将上述实验表面皿上的银灰色固体棒状镀银二氧化铈转移到坩埚中，把坩埚置于管式炉，设置温度400℃，空气中煅烧3小时，最后得到淡黄色棒状镀银二氧化铈，呈粉末状。

2.5棒状镀银二氧化铈的BET实验

CeO₂的N₂吸-脱附实验在−196 °C下于3Flex型比表面和孔径分析仪上完成。

2.6棒状镀银二氧化铈的光催化实验

棒状镀银CeO₂的光催化活性实验是在紫外光照射下，对于罗丹明B（RhB）的降解实验完成。实验在XPA光化学反应器中进行，使用500W高压汞灯来提供365 nm的照射光源。典型的实验操作方法如下：称取0.2g一定形貌的CeO₂，将其分散在250 mL 10 mg/L的RhB水溶液中，400mL的反应池中用空气不断地鼓泡，鼓泡的空气流速为20mL/min。在光照前，分散液被置于黑暗中搅拌60min，以确保在CeO₂和RhB之间达到吸-脱附平衡。然后，分散系统被置于紫外光下照射。每间隔20min，取出5ml 的分散液立刻进行离心分离，去除固体CeO₂颗粒，残留液中RhB的浓度通过使用UV-1100分光光度计测量吸光度获得。

1. 实验结果与分析

3.1前驱体棒状镀银甲酸铈的XRD分析

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