论文总字数：9432字

摘 要

本文用Ce(SO₄)₂·4H_２O作为原料，用PVP做表面活性剂，采用水热合成法研究了球形二氧化铈的制备，并考察了反应物浓度、表面活性剂（PVP）的用量以及反应时间对球形二氧化铈形貌的影响。利用X-射线衍射分析（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、可见-紫外光谱（UV）和比表面测定（BET）对球形二氧化铈的微观结构进行了表征分析。研究结果表明，通过控制反应条件可以制备出分散性好，结晶度高的球形二氧化铈。在模拟紫外可见光照射的条件下，球形二氧化铈对罗丹明B的降解率较高，表现出优异的光催化降解性能。

关 键 词 ：球形二氧化铈，光催化，水热合成法

Abstract: In this paper, the preparation of spherical cerium dioxide using cerium sulfate tetrahydrate as raw material and PVP as surfactant was studied by hydrothermal synthesis method. The effects of reactant concentration, surface active agent（PVP）and reaction time on the morphology of spherical cerium dioxide were researched. The microstructures of spherical ceria was characterized by specific surface area test (BET) , X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM) and ultraviolet spectrum (UV). The results indicate that spherical ceria with good dispersion and high crystallinity can be prepared by controlling reaction conditions. Under the condition of ultraviolet visible light irradiation, spherical cerium dioxide exhibited excellent photocatalytic degradation of Rhodamine B.

Keywords: spherical cerium dioxide, photocatalysis, hydrothermal synthesis

目 录

1 前言 3

2 实验部分 4

2.1 仪器 4

2.2 试剂 4

2.3 二氧化铈的制备 4

2.4 二氧化铈的BET实验 4

2.5 二氧化铈的光催化实验 4

3 结果与讨论 5

3.1实验的尝试 5

3.1.1 表面活性剂（PVP）的用量对二氧化铈形貌的影响 5

3.2 二氧化铈的XRD分析 7

3.3二氧化铈的UV分析 8

3.4 二氧化铈的SEM分析 8

3.4.1 不同浓度对二氧化铈形貌的影响 9

3.4.2 不同表面活性剂（PVP）的用量对二氧化铈形貌的影响 9

3.4.3 不同反应时间对二氧化铈形貌的影响 10

3.5 二氧化铈的BET分析 12

3.6 二氧化铈的光催化性能分析 13

结 论 14

参 考 文 献 15

致 谢 16

前言

随着工业的快速发展，人们对大自然的过度开发，环境污染越来越严重，资源逐渐匮乏，我国迫切需要发展新技术来解决环境污染问题和缓解资源的匮乏。光催化技术是近些年发展起来的一种高效、节能、安全的环境友好型绿色环保技术。由于光催化技术的操作便捷、成本低、反应条件温和且消耗能量低，反应后的产物不会对环境造成二次污染，在污染物处理方面展现出独特的优势，因此受到了广大研究者的关注，是解决环境污染问题和资源快速枯竭的有效手段之一。目前，光催化技术在很多领域被广泛使用，例如降解有机污染物、净化空气、消毒杀菌等方面^[1]。

铈是一种具有广泛应用的稀土元素。近些年来，二氧化铈作为光催化材料在污染物降解中被许多研究者关注。二氧化铈具有特殊的4f电子构型和N型半导体性质，因此显现出较好的氧传导能力和氧储存能力以及良好的电荷交换能力。二氧化铈有价格低廉、安全无毒、稳定性好等特点。二氧化铈的用途极为广泛。它不仅被应用于光催化领域，还在紫外吸收剂、耐辐射玻璃、燃料电池、水处理催化净化、抛光剂和电子陶瓷等领域有广泛应用^[2-4] 。

目前已经发现的制备二氧化铈的方法有很多种，常用的有化学沉淀法、模板法、溶胶-凝胶法、微乳液法、水热合成法等。李秀萍^[5]等以乙二胺四乙酸二钠盐为沉淀剂，采用络合沉淀法制得了二氧化铈；范方强^[6]等利用超声模板法，以CTAB作为模板剂成功制得了球形二氧化铈；栾宝平^[7]等通过尿素水解法，以硝酸铈为原料，使用柠檬酸钠作为形貌控制剂，在120℃水热条件下制得CeOHCO₃前驱体，最后通过500℃煅烧得到二氧化铈。虽然有很多方法制备二氧化铈，但如何缩短合成时间，如何可控制备形貌仍是亟待解决的问题。水热法由于具有耗能低、产物纯、分散性好、化学可加工性优异以及可控制备形貌等优点，从而受到许多研究者的青睐。

许多研究表明，不同形貌的材料有不同的性能。不同形貌的二氧化铈因其性能优异，而具有广阔的应用范围。近年来，不同形貌的二氧化铈引起越来越多的研究者的兴趣。有研究发现二氧化铈在不同的形貌下，展现出的活性晶面也会不同，从而影响材料的催化活性。不同形貌二氧化铈制备的研究有了一定的进展^[8]。目前，已经制备出棒状、管状、线形、球形等结构^[9-11]。其中，球形二氧化铈材料易于制备，且具有良好的稳定性和分散性。

本文采用水热法，以硫酸铈为原料，通过控制反应时间以及反应物浓度合成形貌相同，表面光滑，大小均匀的球形二氧化铈。对二氧化铈进行表征和性能考察。在模拟可见光的条件下，考察了球形二氧化铈对罗丹明B的降解性能，结果显示出了较高的太阳光光催化降解性能，在染料污染物处理中有较好的潜在应用前景。

实验部分

2.1 仪器

800离心机，常州国华电器有限公司；ARL/X’TRA X-射线衍射仪，荷兰ENRAF NONIUS公司；e-104电子天平，北京赛多利斯仪器系统有限公司； QUANTA FEG450场发射扫描电子显微镜，美国FEI公司； DHG-9078A型 电热恒温鼓风干燥箱，上海精宏实验设备有限公司。XPA-2型 光化学反应仪，南京胥江机电厂；UV-1750紫外分光光度计，日本岛津公司；UV-1100分光光度计。

2.2 试剂

四水合硫酸铈(AR,98%),无水乙醇（AR，gt;=99.7%），聚乙烯吡咯烷酮（PVP，K-90）,甲酸(CP，85%)，N,N-二甲基甲酰胺（AR）。实验中使用的水都为去离子水。

2.3 二氧化铈的制备

量取1 mL 85% 甲酸溶液和9 mL去离子水，充分混合制成新制甲酸溶液。称取0.1213克的四水合硫酸铈，将其置于小烧杯中，再向杯中加入10mL的水和5mL N,N-二甲基甲酰胺，使用磁力搅拌器搅拌至四水合硫酸铈完全溶解，待溶液变为黄色透明时再加入0.0505克PVP(K-90)搅拌，待PVP(K-90)完全溶解后，再用1mL移液管取0.81mL新制甲酸溶液加在烧杯中，磁力搅拌10分钟，然后将混合液转移至水热反应釜中；将烘箱打开设置恒温90℃，把反应釜放置于其中反应48h。48h后关闭烘箱电源，让烘箱里的反应釜冷却至室温后再取出，去掉上层澄清液体，将得到的固体用去离子水和无水乙醇各洗三次，最后放入60 ℃的烘箱中烘干。

2.4 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。

2.5 二氧化铈的光催化实验

考察CeO2的光催化性能实验是用紫外光模拟可见光。在紫外光的照射下利用罗丹明B（RhB）模拟染料废水进行实验。实验通过XPA光化学反应器来进行，用500W高压汞灯来提供365 nm的照射光源。实验步骤如下：称量0.2g的球形二氧化铈，将其置于250 mL 10 mg/L的RhB水溶液中，在400mL的反应池中以20 mL/min空气流速不断地鼓泡。在打开光照前，需要将分散液置于黑暗的环境中搅拌60min，以确保在CeO2和RhB之间达到吸-脱附平衡。待其达到吸-脱附平衡后，方可打开汞灯灯源，进行光催化降解实验。光反应开始后每到20min，用针管吸取5mL反应器中的分散液进行离心分离,低速离心20min后再进行高速分离5min，去掉固体CeO2，取剩下的溶液利用UV-1100分光光度计在其最大吸收波长处测量吸光度以此来获得RhB的浓度。根据下式计算可得降解率D：

A₀表示原溶液的吸光度，A表示降解后溶液的吸光度。

结果与讨论

3.1实验的尝试

经过文献的查阅和学长学姐们的实验经验，得到一种制备球形二氧化铈的方法。原实验具体实验步骤如下：量取1 mL 85% 甲酸溶液和9 mL去离子水，充分混合制成新制甲酸溶液。称取0.2426克的四水合硫酸铈，将其置于小烧杯中，再向杯中加入10mL的水和5mL N,N-二甲基甲酰胺，使用磁力搅拌器搅拌至四水合硫酸铈完全溶解，待溶液变为橙色透明时再加入0.1010克PVP(K-90)搅拌，待PVP(K-90)完全溶解后，再用1mL移液管取0.81mL新制甲酸溶液加在烧杯中，磁力搅拌10分钟，然后将混合液转移至水热反应釜中；将烘箱打开设置恒温90℃，把反应釜放置于其中反应3天。3天后关闭烘箱电源，让烘箱里的反应釜冷却至室温后再取出，去掉上层澄清液体，将得到的固体用去离子水洗3-5次，最后放入60 ℃的烘箱中烘干。该实验所制得的二氧化铈团聚较为严重，为了得到单分散，结晶性好，形貌好的球形二氧化铈，本人在导师的指导下基于原实验探索具体的实验方法。以下是实验尝试的具体过程。

3.1.1 表面活性剂（PVP）的用量对二氧化铈形貌的影响

为了研究表面活性剂（PVP）对二氧化铈形貌的影响，做了以下实验。在不改变其他条件的情况下，做了4组对比实验，设置其PVP用量分别为0.0201g，0.0401g，0.0844g，0.0996g。将得到的产物进行SEM分析。

m(PVP)= 0.0201g	m(PVP)= 0.0401g
m(PVP)= 0.0844g	m(PVP)= 0.0996g

图1 不同PVP用量所合成的二氧化铈形貌图

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