一种CeO2纳米管的制备方法、CeO2纳米管及应用技术

本发明专利技术公开了一种CeO2纳米管的制备方法。本发明专利技术以碳酸盐、甲酸、强碱和三价可溶性铈盐为原料，利用简单的水热反应，制备氧化铈纳米管。所合成的氧化铈纳米管具有表面富铈，主要以四价的铈离子的形式存在，能够充当在水中移除污染有机化合物的吸附剂，这是在水处理系统中的一个重要应用。

【技术实现步骤摘要】
一种CeO2纳米管的制备方法、CeO2纳米管及应用
本专利技术属于纳米材料和废水处理领域，涉及一种CeO2纳米管的制备方法、CeO2纳米管及应用。
技术介绍
二氧化铈是地壳中最丰富的稀土元素，也是我国储量最丰富的稀土资源，因其具有优异储放氧能力、较高的热稳定性、良好的光学性能等，已经吸引了广泛的研究兴趣，并应用到催化、燃料电池、传感器等领域[A.Trovarelli，C.deLeitenburg，M.Boaro，G.Dolcetti，Catal.Today1999，50，353；S.D.Park，J.M.Vohs，R.J.Gorte，Nature2000，404，265；E.L.Brosha，R.Mukundan，D.R.Brown，F.H.Garzon，J.H.Visser，SolidStateIonics2002，148，61；S.Yabe，T.J.Sato，SolidStateChem.2003，171，7.]。随着纳米材料可控合成技术的发展，为开发具有优异结构特性的二氧化铈功能材料提供了新的机遇。然而，稀土氧化铈因具有立方萤石结构，不能在溶液中直接各向异性生长成一维稀土氧化铈纳米管材料。因此，要在溶液中利用水热法合成一维稀土氧化铈纳米管，必须寻找合适的合成方案。通常的解决办法是借助于多孔铝膜、碳纳米管、纳米线、纳米棒等物理或者化学模板，再利用电化学沉积或者液相沉积等合成技术来实现一维稀土氧化铈纳米管[R.Inguanta，S.Piazza，C.Sunseri，Nanotechnology18(2007)485605；D.Zhang，H.Fu，L.Shi，J.Fang，Q.Li，J.SolidStateChem.180(2007)654-660；T.Wang，L.Zhang，J.Zhang，G.Hua，Micropor.Mesopor.Mat.171(2013)196-200；J.Wu，J.Wang，Y.Du，H.Li，Y.Yang，X.Jia，Appl.Catal.B-Environ.174-175(2015)435-444；Y.Feng，L.Liu，X.Wang，J.Mater.Chem.21(2011)15442-15448；K.Lin，S.Chowdhury，Int.J.Mol.Sci.11(2010)3226-3251]。还可以采用自模板法与奥斯特瓦尔德成熟过程相结合的方式来合成一维稀土氧化铈纳米管[K.Zhou，Z.Yang，S.Yang，Chem.Mater.19(2007)1215-1217；X.Wu，S.Kawi，Cryst.GrowthDes.10(2010)1833-1841；Z.Wang，J.Qi，K.Zhao，L.Zong，Z.Tang，L.Wang，R.Yu，Mater.Chem.Front.1(2017)1629-1634]。尽管模板方法能够合成一维稀土CeO2纳米管，但是它具有操作复杂、成本较高而且能耗较大的特点。另外一种解决方案是两步合成法，首先设计和构建具有各向异性结构的一维稀土CeO2纳米管前躯体，然后通过煅烧转化成所需的CeO2纳米管。实现两步合成法的关键是寻找到合适的、具有各向异性的一维CeO2纳米管前躯体。一旦确定了各向异性结构的纳米管前躯体，就能采用操作方便、成本低、投资少的水热合成路线来实现。最关键的一点是可以通过控制水热反应条件来控制和调节CeO2纳米管的形貌结构和物理化学性质。然而，在已报道的工作中，仅仅只有Ce(0H)3用作各向异性结构的一维CeO2纳米管前躯体[G.Chen，C.Xu，X.Song，W.Zhao，Y.Ding，S.Sun，Inorg.Chem.47(2008)723-728；W.-Q.Han，L.Wu，Y.Zhu，J.Am.Chem.Soc.127(2005)12814-12815；C.C.Tang，Y.Bando，B.D.Liu，D.Golberg，Adv.Mater.17(2005)3005-3009]。这有限合成的方法和手段大大限制了稀土CeO2纳米管的开发和应用。因此，亟需发展一种简便、低成本、且易大规模生产的合成路线，制备具有优异物理化学性能的一维稀土CeO2纳米管，来开发它在工业废水处理、工业催化、电化学、光学工程等领域的应用，促进其在国民经济发展和大工业化生产中的需要。
技术实现思路
本专利技术的目的，针对产业化需求和上述技术难题，开发一种操作简便的、成本较低的水热合成工艺路线，制备稀土CeO2纳米管材料，为更好地开发CeO2纳米管的物化性能和潜在应用提供技术支持。本专利技术从实用的角度出发设计方案，采用廉价的无机原料以及操作简单、成本较低的水热路线，制备稀土CeO2纳米管。本专利技术的目的可以通过以下技术方案实现：CeO2纳米管的水热合成方法按照如下步骤进行：(1)将三价铈可溶性盐溶解在去离子水中形成透明溶液。(2)将甲酸在剧烈搅拌下加入到步骤(1)得到的溶液中，混合均匀。(3)将给定量的氨水在剧烈搅拌下加入到步骤(2)得到的溶液中，混合均匀。(4)将给定量的碳酸氢钠在剧烈搅拌下加入到步骤(3)得到的悬浊液中，混合均匀。(5)将步骤(4)得到的混合液转移到密闭反应釜中，置于烘箱，在100-160℃加热，反应所得沉淀物用蒸馏水洗涤、干燥得到CeO2纳米管前驱体。(6)将步骤(5)得到的前驱体在空气气流下于350-800℃加热5-10小时，得到CeO2纳米管。进一步，步骤(2)中所制备的甲酸盐可以被甲酸盐试剂取代。进一步，所述的三价铈可溶性盐与去离子水之间的质量比为1∶20-30。进一步，所所述的三价铈可溶性盐、甲酸、氨水、碳酸氢钠之间的质量比为1∶2-3∶3-4.8∶0.5-1.5。一种CeO2纳米管，由上述制备方法制得。本专利技术所得的CeO2纳米管是具有吸附移除性能的纳米材料，是具有富铈表面的氧化铈纳米管。本专利技术产品的形貌通过扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)观察，其组成结构通过红外光谱(FT-IR)和热重分析(TG)分析，其物相组分通过X射线粉末衍射(XRD)鉴定，其表面组成通过光电子能谱(XPS)检测。通过本专利技术技术方案，可以得到表面富铈的二氧化铈纳米管，目标产物纯度高。本专利技术以碳酸盐、甲酸水溶液、碱和可溶性铈盐为原料，借助水热法，实现了一维稀土二氧化铈纳米管的制备，操作简便，反应条件易控制，产品纯度高。方法中原料廉价易得，反应简单，无需复杂设备，具有成本低、应用性强的特点。附图说明图1为实施例1所得的氧化铈纳米管前驱体的扫描电镜图；图2为实施例1所得的氧化铈纳米管前驱体末端的扫描电镜图；图3为实施例1所得的氧化铈纳米管前驱体的红外光谱图；图4为实施例1所得的氧化铈纳米管前驱体的热重曲线图；图5为实施例1所得的氧化铈纳米管的扫描电镜图；图6为实施例1所得的氧化铈纳米管的透射电镜图；图7为实施例1所得的氧化铈纳米管的XRD图；图8为氧化铈纳米管的光电子能谱01s图；图9为氧化铈纳米管的光电子能谱Ce3d图；图10为氧化铈纳米管对刚果红的吸附移除，氧化铈纳米管的质量为25mg，溶液体积为50ml，刚果红的浓度为50mg/l；图11为氧化铈纳米管的循环测试，氧化铈纳米管的质量为25mg，溶液体积为50ml，刚果红的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种CeO2纳米管的制备方法，其特征在于，按照如下步骤进行：(1)将三价铈可溶性盐溶解在去离子水中形成透明溶液；(2)将甲酸在剧烈搅拌下加入到步骤(1)得到的溶液中，混合均匀；(3)将氨水在剧烈搅拌下加入到步骤(2)得到的溶液中，混合均匀；(4)将碳酸氢钠在剧烈搅拌下加入到步骤(3)得到的悬浊液中，混合均匀。；(5)将步骤(4)得到的混合液转移到密闭反应釜中，置于烘箱，在100‑160℃加热，反应所得沉淀物用蒸馏水洗涤、干燥得到CeO2纳米管前驱体；(6)将步骤(5)得到的前驱体在空气气流下于350‑800℃加热5‑10小时，得到CeO2纳米管。

【技术特征摘要】
1.一种CeO2纳米管的制备方法，其特征在于，按照如下步骤进行：(1)将三价铈可溶性盐溶解在去离子水中形成透明溶液；(2)将甲酸在剧烈搅拌下加入到步骤(1)得到的溶液中，混合均匀；(3)将氨水在剧烈搅拌下加入到步骤(2)得到的溶液中，混合均匀；(4)将碳酸氢钠在剧烈搅拌下加入到步骤(3)得到的悬浊液中，混合均匀。；(5)将步骤(4)得到的混合液转移到密闭反应釜中，置于烘箱，在100-160℃加热，反应所得沉淀物用蒸馏水洗涤、干燥得到CeO2纳米管前驱体；(6)将步骤(5)得到的前驱体在空气气流下于350-800℃加热5-10小时，得到CeO2纳米管。2.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：饶日川，吴康熙，倪士伟，
申请(专利权)人：合肥师范学院，
类型：发明
国别省市：安徽,34