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我国是世界上稀土蕴藏量和产量最大的国家。稀土资源的有效开发利用是我国的重要任务。稀土元素应用蓬勃发展,已扩展到科学技术的各个方面,尤其现代一些新型功能性材料的研制和应用,已成为不可缺少的原料。二氧化铈(CeO2)是稀土氧化物中活性最高、用途极广的一种材料,因为其具有较为独特的晶体结构、较高的机械强度和热力学稳定性、较高的储氧和释放氧的能力、较强的氧化还原能力和光学性质,被广泛应用于催化剂、燃料电池、紫外吸收材料、陶瓷和传感器等方面。
CeO2传统合成方法存在合成条件复杂、不易控制等问题。而本文采用的电化学制备法,设备简单,易于控制,反应速度快,制备条件简易,为纳米材料的合成提供了一种新颖可靠的途径。本论文针对目前掺杂CeO2纳米材料研究领域的热点和难点,采用电沉积方法制备具有不同微观形貌和结构的Eu3+、Cu2+掺杂的CeO2纳米材料。此外,通过改变不同基底、不同的沉积电流密度、不同的原料浓度、不同添加剂等因素,研究CeO2∶Eu3+以及CeO2∶Cu2+生长的规律。
除了对形貌影响因素的分析外,本文也探讨了产物的结构、成分和稳定性,例如对样品进行了X射线粉末衍射、X射线光电子能谱等分析。对于CeO2∶Eu3+体系,本研究还系统地测试了其光学性质,包括紫外-可见光谱和荧光光谱,通过对比,初步探讨了不同形貌下,CeO2∶Eu3+纳米材料的光学性质的变化。而对于CeO2∶Cu2+体系,本研究系统地测试了其磁学性质,通过对比,初步探讨了不同形貌下,CeO2∶Cu2+纳米材料的磁学性质的变化。
经研究显示,在0.01M Ce(NO3)3水溶液中,加入不同浓度的Eu(NO3)3和添加剂,在343K下采用非模板法电沉积制备出CeO2∶Eu3+纳米线、纳米棒、纳米片、多孔状薄膜。XRD结果表明Eu3+可能进入了CeO2的晶格,形成固溶体CeO2∶Eu3+。紫外可见光光谱显示,波长低于450 nm出现吸收带,体现基质O2--Ce4+电荷迁移。荧光激发光谱中出现394 nm和467 nm激发峰,体现Eu3+的7F0→5L6和7F0→5D2跃迁。对应的发射光谱出现594 nm和616 nm的发射峰。材料的发射峰强度依赖于Eu3+的掺杂浓度和纳米结构。热重分析显示,该产物在1173 K以下温度能保持结构稳定,而且杂质很少。
对于CeO2∶Cu2+体系,在0.01 M Ce(NO3)3水溶液中,加入不同浓度的Cu(NO3)2和添加剂,在343K下采用非模板法电沉积制备出CeO2∶Cu2+纳米线、纳米棒、纳米颗粒等形貌的薄膜。XRD及XPS测试表明产物主要含Ce4+和Cu2+。另外,用紫外可见光光谱分析其光学性质,发现其主要吸收紫外光,而基本不吸收可见光。初步探讨了不同形貌下,CeO2∶Cu2+纳米材料的磁学性质的变化,发现在温度为5 K时,材料的剩余磁感应强度和矫顽力均比室温下要大,而且纳米线形貌的样品磁性最佳。