CeO2纳米纤维

关键词：

CeO2纳米纤维（精选三篇）

CeO2纳米纤维 篇1

本研究采用聚乙二醇溶胶法制备了不同粒径的纳米CeO2晶体,该方法工艺简单,制备的粉体具有超细、高纯、团聚低,且晶格发育完整等优点。实验中分析了反应温度和煅烧温度对制备CeO2的影响,取得一定的成果。

1 实验部分

1.1 试剂与设备

聚乙二醇-400(分析纯),天津市科密欧化学试剂开发中心产品;Ce(NO3)3·6H2O(纯度>99%),天津市精细化工研究所产品;去离子水。X射线衍射仪(D8 DISCOVER型)德国Bruker公司;扫描电子显微镜(QUANTA200型)FEI公司;透射电子显微镜(H-7650型)Hitachi公司;箱式电阻炉;磁力搅拌器。

1.2 CeO2纳米粉体的制备

称取一定量的聚乙二醇-400,使聚乙二醇与Ce的摩尔比为5∶1 , 将Ce(NO3)3·6H2O晶体在聚乙二醇中加热溶解, 不断搅拌,得到浅黄色透明溶胶。将所得溶胶冷却、陈化,72h后仍澄清透明,把所得的溶胶在不同温度下热处理,可得到不同粒径的CeO2纳米粉体。

1.3 物性表征

采用X射线衍射仪,对粉体进行物相分析;用扫描电镜对试样进行微观结构分析;用透射电镜观察并分析纳米CeO2颗粒的形貌和尺寸。

2 结果与讨论

2.1 反应温度对CeO2性质的影响

把Ce(NO3)3·6H2O在聚乙二醇中完全溶解到生成浅黄色透明溶胶所需的时间定义为反应时间。得到反应温度与反应时间的关系如表1所示。由表可知,在低温下反应几乎不能顺利进行。随着反应温度的升高,反应速度逐渐加快,反应时间缩短。

把以上40℃、65℃、90℃制得的溶胶陈化后,在400℃焙烧2h,得到CeO2粉体。对粉体进行XRD分析和SEM分析,如图1和图2所示。

从图1可看出:经400℃焙烧,3种粉体均出现明显的衍射峰,峰位和强度几乎没有差别,且其峰位与ASTM衍射卡34-0394中峰位28.55、33.08、47.48、56.34、59.06完全吻合。由此得出粉体CeO2均为晶型,并且结构相同,均为单相立方晶系。从图2得到:反应温度为65℃时得到的粉体较均匀,分散性也较好。

在反复实验中发现,控制反应温度对溶胶的生成和CeO2的性质起着很重要的作用。反应温度过低则不利于促进反应的进行,致使溶胶不能或不易生成,溶胶时间过长,影响效率;温度过高则反应太迅速,进程较难控制,所得粉体不均匀且分散性不好,团聚较为严重,影响产品功能及使用。本研究认为,CeO2的溶胶化需要适当的温度,该溶胶的生成在65℃条件下进行,可适当缩短反应周期,所得粉体均匀、分散性良好。

2.2 焙烧温度对CeO2性质的影响

将反应温度65℃下制备的CeO2溶胶在200℃、400℃、500℃、800℃等4个不同温度下焙烧2h,得到粉体的宏观性状如表2所示。

通过肉眼观察发现(结果列于表2中),在200℃焙烧的样品内含有黑色的炭化物,说明在200℃的焙烧温度下,焙烧2h还不足以使聚乙二醇炭化分解完全。随着温度的升高,从200～800℃样品的颜色逐渐变浅,这可能是在低温下纳米CeO2粒子小,纳米晶的能级分裂,对光的吸收能力增加,光的折射和散射减少,故颜色较深。800℃焙烧的试样出现淡粉色可能是原料(市售硝酸铈晶体)中含有少量其他稀土元素(如氧化钕、氧化镧、氧化钇等)。

将400℃、500℃、800℃3个不同焙烧温度下得到的粉体进行XRD分析,如图3所示。

从图3可以看出,经不同温度焙烧,CeO2晶体没有发生晶型的转变,都是立方晶系;随着焙烧温度的升高,晶体的衍射峰增强,晶格趋于完善;由Scherrer公式计算可得,随着焙烧温度的升高,粉体的平均理论粒径依次升高,分别为5.80nm、13.78nm、17.14nm。

把800℃焙烧得到的粉体在透射电子显微镜下观测,如图4所示。可得CeO2晶体为粒状,直径在20～50nm,其大多数粒子的形貌也趋于球形。CeO2的结晶趋于规整,晶格也更加完善,分散性也较好。其分散机理可能是本实验采用的聚乙二醇代替了以往的水溶剂,充当反应物和分散剂,减缓了溶胶速度。再者,其前驱体焙烧制备粉体的过程存在有机组分的挥发、氧化,产生气体并溢出,留下大量气孔等,有效的阻止了极易发生粉体团聚的毛细管现象的产生,一定程度上改善了粉体的团聚性,但仍未能完全避免纳米CeO2晶体的团聚现象。制备单粒状CeO2的工艺条件还有待进一步深入研究。

由以上分析可得出,随着焙烧温度的增加,粉体表观颜色逐步变浅,衍射峰增强,晶格更完善,晶粒逐渐增大,但不发生晶型的转变。800℃焙烧所得CeO2趋于直径为20～50nm的球形。本研究在一定程度上有效的克服了焙烧过程中CeO2的团聚。并为在实际应用中通过控制焙烧温度制备合适粒径的纳米CeO2提供指导。

3 结 论

(1)聚乙二醇溶胶-凝胶法可以制备粒径小于100nm的CeO2晶体。该晶体属单相立方晶系。

(2)CeO2的溶胶化需要适当的温度,反应温度为65℃时得到的粉体较均匀,分散性也较好。

(3)随着焙烧温度升高,晶型不变,CeO2粒径增大,形貌趋于球形。经800℃焙烧,粉体粒径在20～50nm。

摘要：CeO2是一种稀土类研究较为广泛且多用途的功能材料。本实验以六水硝酸铈和聚乙二醇为原料,采用溶胶法制备纳米CeO2晶体。主要研究了反应温度、焙烧温度对粉体性质的影响。结果表明,聚乙二醇溶胶法可制得纳米CeO2。在65℃下溶胶制备的CeO2粉体较均匀,分散性也较好,随着焙烧温度升高,CeO2保持立方晶型不变,粒径增大,结晶更完善。800℃焙烧所得的CeO2晶的形貌趋于球形,直径在2050nm。

CeO2纳米纤维 篇2

①英国剑桥大学材料科学教授阿兰?魏德尔与美国陆军士兵研究开发中心的研究人员共同研制出一种新型碳纳米管纤维。该碳纳米管纤维上最脆弱的地方也需要1吉帕斯卡的应力才能折断，强度足以与钢铁相媲美。

②碳纳米管是一种棉线状的碳分子，带有仅一个原子厚度的壁。虽然它们具有非常强的导电性能，但可靠性难以保证。为了制作这种超强纤维，魏德尔在热炉中将碳汽化，然后吹出一股碳纳米管流。当这些碳纳米管在空中被捕获并围绕一个轴旋转时，就会形成一根由数十亿个分子组成的纤维，而这些分子沿着碳纳米管紧密排列在一起。

③研究人员认为，强度的改善主要取决于缠绕速度，以便将碳纳米管更好地排列成线以及更紧密地包裹起来。研究人员通过调节炉温和调整缠绕速度优化制作工艺，制作出的纤维强度较其他小组制作的要高出0.3倍。为了使制作的纤维密度更大，他们还在制作工艺中增加了一个步骤，让纤维通过丙酮气体。丙酮气体可在纤维上凝结成一层液体，由于表面张力效应将纳米管拉在一起，从而增强纤维强度。

④新碳纳米纤维一般要在施以大约6吉帕斯卡的应力时才发生断裂，强度要高于制造防弹背心的常用材料芳纶，而且可与两种最高强度的商业材料——基纶和迪尼玛相抗衡。目前，研究人员已制作出一根单独的超强碳纳米管纤维，可承受9吉帕斯卡的应力，表现出具有无与伦比的超强性能，而用别的方法制作的碳纳米管纤维最多可承受3吉帕斯卡的应力。

⑤魏德尔目前能制作出的最好纤维长度仅为1毫米，这主要是因为纤维越长，包含的细微碳颗粒和其他缺陷就越有可能削弱它的强度。即便调节制作工艺，如调整缠绕速度和利用丙酮方法，都不能改变这些碳素颗粒，因此必须回到化学合成的方法来解决这类问题。研究人员称，这种纤维最具前景的应用也许是制作防弹衣和开采油气钻头。

小题1:用自己的语言概括新型碳纳米管纤维的制作工艺。（3分）

小题2:第④段运用了哪些说明方法？有何作用？（2分）

小题3:第⑤段中划线的“目前”能否删去？为什么？（2分）

参考答案：

小题1:①调节炉温，使碳在热炉中汽化，吹出碳纳米管流。（1分）②调整缠绕速度，将碳纳米管排列成线并紧密地包裹起来。（1分）③纤维通过丙酮气体时，丙酮在纤维上凝结成液体，通过表面张力将纳米管拉在一起。（1分）

小题2:作比较、列数字（1分）。具体准确地说明新型纳米纤维强度之高。（1分）

小题3：不能。“目前”限制了时间，不排除今后能制作出更好的纤维长度，如果去掉就排除了这种可能性，所以不能去掉。“有可能”体现了说明文语言的准确性。

小题1:试题分析：根据第3段中“通过调节炉温和调整缠绕速度优化制作工艺”“让纤维通过丙酮气体，丙酮气体可在纤维上凝结成一层液体，由于表面张力效应将纳米管拉在一起，从而增强纤维强度”这部分的内容来概括新型碳纳米管纤维的制作工艺。

小题:2:试题分析：通过“新碳纳米纤维的强度”与“制造防弹背心的常用材料芳纶的强度”进行对比，“大约6吉帕斯卡”“承受9吉帕斯卡的应力”“最多可承受3吉帕斯卡的应力”一系列的数据，通过这两者之间的比较以及一系列的数据具体准确的说明了说明对象的特征。

“全能纤维”碳纳米管 篇3

能上《新闻联播》的，肯定是国内外大事！看来这位李教授的研究很了不起，可到底“了不起”在什么地方呢？碳纳米管又是神马东东？哈哈，儿童相见不相识，千万别说你不认识它，它经常会在你的化学考卷里露一脸。

一个球和一个管的故事

碳纳米管，顾名思义，由碳原子组成，它的大小是纳米——也就是10-9米数量级，形状呈管状。区区四个字的名字，涵盖了三个性质，这的确是一个好名字。不过，你知道吗？碳纳米管还有一个名字叫巴基管，这个名字听上去可就土多了，它来源于一个人的名字，这个人叫做巴基·富勒。

巴基·富勒是一个建筑师，以设计未来时代的城市著称。他的代表作艾波卡特坐落于美国佛罗里达州的迪斯尼世界度假区，是这个度假区内除迪斯尼外的第二座主题乐园——未来城市主题乐园。艾波卡特在1982年10月正式开幕，建筑的整体由一个巨大的网格球顶型包裹，周围也都是同样未来派风格的建筑。

在艾波卡特落成后的第3年，1985年，英国化学家哈罗德·克罗托和美国化学家理查德·斯莫利制备出了一种很特别的物质。这种物质的分子由60个碳原子组成，这60个碳原子组成一个足球的形状。看上去和艾波卡特如此之像，再加上克罗托和斯莫利又是巴基·富勒的超级粉丝，于是这种新的物质被命名为富勒烯。在我国，也有人称这种物质为巴基球或足球烯。

我们知道，碳是地球上最重要的元素之一。所有的生物，包括我们人类的身体里，都充满了碳元素。化学家们为了研究碳和碳的化合物，专门开辟了有机化学这一重要的化学领域。化学家们很早就知道，纯净的碳有两种不同的形态——金刚石和石墨，所谓金刚石，就是女士们手上戴着的闪闪发光的钻石；而石墨，是一种黑黑的粉末，是铅笔芯的主要材料。

看上去如此不同的两样东西，居然都是由碳组成的，可见碳的神奇！然而事情还没有完，克罗托和斯莫利的工作带给我们一种全新的认知，碳原子居然还能排列成这个样子！

富勒烯的发现开阔了人们的视野，科学家们开始寻找碳的其他组合方式。功夫不负有心人，1991年，日本物理学家饭岛澄男发现了管状的富勒烯。既然球状的叫巴基球，干脆管状的就叫巴基管吧。这就是我们前面讲到的碳纳米管。在碳纳米管中，每一个碳原子都和其他碳原子一起组成六边形，所有的六边形连接在一起，形成一个管状结构。

制造碳纳米管的最大难题

碳纳米管是一种“超级材料”，它的强度是钢材的300倍，而密度仅仅是钢材的1/6，而且它还拥有良好的柔韧性，可以随意拉伸，被誉为“全能纤维”。碳纳米管有良好的导热性和导电性，也许在不久的将来，它可以取代硅成为计算机芯片的主要材料。

虽然全能，可目前的碳纳米管还只能在实验室中拳打脚踢施展武艺。之所以会这样，是因为想要制造一个碳纳米管实在太困难了！前面那张图里的碳纳米管是一种完美的形状，每个碳原子都和其他的碳原子组成六边形。可是在实际制造碳纳米管的过程中，可没有那么完美了，五边形、六边形、七边形……一个个长得都歪瓜裂枣。这些碳原子会随机组成各种不同的组合，这些不确定的组合会严重影响碳纳米管的性质！人们不知道如何来控制碳纳米管的结构，从而得到性能稳定的成品。这个问题一直困扰了人们20多年。

李彦教授和她的课题组找到了一种很好的方法，可以控制碳纳米管的结构，从而生产出完美的全部六边形的碳纳米管。这一发现，无疑为碳纳米管的深度开发应用奠定了基础。

“全能纤维”也有不少缺点

作为一种超级材料，碳纳米管的应用，无疑能给我们的生活带来很多的便利。不过它也有很多不好的地方。

首先，它能引起我们眼睛的不适，让我们的皮肤过敏，如果我们吸入过多的碳纳米管，还可能导致肺癌、尘肺等疾病。其次，它会引起水生生物的生长变慢，甚至死亡。再次，它的结构并不是十分稳定，它会吸附周围的物质从而引起自身结构的改变，这些改变会不会产生一些有毒有害的物质，还需要进一步研究。