铕基化合物材料的制备及其应用研究

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近几年来,LiEuTiO4和EuB6两类铕基化合物分别由于良好的电化学性能和高中子吸收截面以及氦原子容纳能力引起人们的关注。但是两种化合物的制备条件均较为苛刻,LiEuTiO4需要通过高温固相法制备材料的前驱物NaEuTiO4,后通过离子交换技术合成出LiEuTiO4;而EuB6材料的制备则也是通过高温,高压或者真空条件制备而来。两类铕基化合物合成工艺的要求较高,影响材料的广泛应用。在本学位论文中,利用液体等离子体技术(SPT)在常温常压下合成出了两种铕基材料,实验内容与结果如下:(1)通过SPT技术可以一步合成出LiEuTiO4和EuB6两种铕基化合物材料。合成工艺条件研究结果表明,合成粒度较小和比表面较大的OSR-LiEuTiO4材料的化学工艺条件为:电场强度为750 Vcm-1,反应时间为30 min,LiCl/EuCl3/TALH的摩尔比为2:1:1,离子液体为0.02 L,O2的流速为5 cm3min-1。此外,在材料合成过程中,O2的流速和施加的电场强度十分重要。当O2的流速低于5 cm3min-1或电场强度低于750 Vcm-1时,此时均无法生成LiEuTiO4材料。制备粒度较小和比表面较大的EuB6材料的优化工艺条件为电场强度为500 Vcm-1,反应时间为40 min,离子液体为0.02 L,乙硼烷的流速为5 cm3min-1。在EuB6制备过程中,乙硼烷的流速以及施加电场强度为重要因素,当反应的施加电场强度低于500V/m或乙硼烷的流速低于5 cm3/min时,均不能合成EuB6。(2)所制备的OSR-LiEuTiO4有较大的比表面积(121.3 m2g-1)和较小的平均粒径(160 nm),且材料的颗粒分布均匀。其较大的比表面与材料的介孔结构有关。OSR-LiEuTiO4材料的合成过程分析表明:材料是通过前驱物与自由基反应先产生H2Ti3O7,然后通过H2Ti3O7继续反应产生Li2TiO3,最后由Li2TiO3与Eu2O3反应生成LiEuTiO4。(3)OSR-LiEuTiO4的电化学循环可逆性能好,其脱/嵌锂电位分别为0.99 V和0.79 V。此外,材料拥有较好的电化学循环性能,较低的阻抗和容抗和较高的比容量(237.3 mAhg-1)。在100次循环充放电以后,材料的放电容量为230.2mAhg-1,容量保持率达到97.0%。另,OSR-LiEuTiO4在5 Ag-1的高充放电倍率下,仍具有156.2 mAhg-1的高比容量。(4)利用SPT技术合成的EuB6材料为非晶材料,具有较小的粒径(约6 nm),表面积为221.3 m2g-1,且材料为合金材料,其中Eu原子为富电子态。(5)将非晶材料EuB6材料用于基于容量变化的室温甲醛气敏材料,结果表明非晶EuB6具有较大的相对容量变化。对各种气体的气敏性能试验表明,非晶EuB6对甲醛具有高度选择性响应(即较大的相对容量变化)。此外,非晶EuB6具有较快的响应/恢复时间(35 s/42 s),且信号稳定,在检测范围内线性关系良好,检测限低(50 ppb),可在较大相对湿度范围内(小于60%)检测。气敏机制表明非晶材料较好的气敏响应与其富电子Eu活性位点有关。综上,由于两类铕基化合物的合成工艺的不足,使材料应用困难。利用SPT技术解决了相应的工艺技术要求,分别制备了具有良好电化学性能的LiEuTiO4材料和良好甲醛气敏性能的非晶态EuB6材料。该方法较传统合成工艺条件温和,所制备材料的性能更优。利用SPT合成两类铕基化合物材料的方法利于两种材料在许多领域的应用研究和拓展。
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