过渡金属氧化物纳米材料的合成及相关性能研究

2018年10月四氧化三钴纳米材料的合成及其性能的研究王艳（成都师范学院，四川成都611100）摘要：光催化裂解产生氧气和氢气是实现光能化学能转换的最佳途径。

要实现水氧化裂解需要较高的活化能，从而开发新型的非贵金属的高效光解水催化剂，对提高产氢速率的实际应用是至关重要的。

钴基催化剂具有超高的催化活性和催化稳定性，设计具有多级纳米多孔结构的光催化材料受到学者的瞩目。

本文采用自模板合成法，以六水合硝酸钴为原料合成超薄多孔纳米四氧化三钴空心球，并通过X-射线衍射、场发射扫描电子显微镜和高分辨率的透射电子显微镜等手段对其进行表征。

结果表面纳米粒子尺寸越小，光催化活性位点越多，催化活性越好。

通过氮气吸附脱附曲线可知，样品的比表面积为53.8m3/g，是一个H3型的滞后环。

对氧气进行光催化析出氧气测试，结果表明结晶度较差的样品Co-T@250的催化活性较好。

电催化水氧化测试可知，采用10mA/cm2工作电流，过电势的值为0.4V。

采用2,2-bipyridine作为光敏化剂，可见光照射，产氢速率较高。

关键词：光催化；氢气析出；纳米粒子；四氧化三钴1第1章1.1光催化的原理概述电子被激发从价带跃迁到导带的机理过程如图1.1所示。

太阳光辐射在半导体的纳米材料上，当半导体的禁带宽度小于等于吸收光子的能量时，由于能量的激发产生电子-空穴对，受到激发的电子跃迁至纳米材料的表面，产生异相的光催化。

电子被激发产生空穴，在迁移到材料表面的过程中产生吸附作用，能够吸附样品表面的无机物或者有机物。

半导体材料给出一个电子去还原电子受体，从而实现催化反应；光生空穴具有氧化作用，可以直接氧化目标反应物。

电子-空穴的复合过程，可以在半导体材料的表面或者内部进行，要解决光生电荷迁移速率，必须考虑导带和价带的吸收边[4-6]。

1.2过渡金属氧化物光解水研究现状已有研究工作表明，全光解水效率不高。

主要原因是光解水由产氢的半反应和产氧的半反应决定的。

稀土及过渡金属功能配合物的合成与应用研究稀土及过渡金属功能配合物的合成与应用研究引言：稀土及过渡金属功能配合物在化学、材料科学、生物医学和环境保护等领域具有广泛的应用前景。

它们以其独特的性质，如光电性、荧光性、磁性、催化性和生物活性等，被广泛地应用于传感器、催化剂、发光材料、药物控释和持久污染物的修复等。

本文将介绍稀土及过渡金属功能配合物的合成方法，并探讨其在不同领域中的应用现状和前景。

一、功能配合物的合成方法稀土及过渡金属功能配合物的合成方法多种多样，下面将介绍一些常见的方法。

1. 溶剂热法：溶剂热法是在高温高压条件下合成稀土及过渡金属功能配合物的一种常见方法。

通过选择合适的溶剂和反应条件，可以控制反应过程中的温度和反应速率，从而得到不同形貌和结构的功能配合物。

该方法适用于合成纳米材料和复杂结构的配合物。

2. 水热法：水热法是在高温高压的水介质条件下进行反应合成功能配合物的方法。

水热法不需要有机溶剂，操作简单，具有环境友好的特点。

同时，水热法可以控制物质的结晶生长和形貌形成，制备出具有特殊形貌和结构的功能配合物。

3. 沉淀法：沉淀法是通过控制反应温度、反应时间和溶液pH值等条件，使反应物生成沉淀物，再通过沉淀物的分离和洗涤得到功能配合物。

沉淀法操作简便，适用于大规模合成和工业生产需求。

二、功能配合物在传感领域中的应用1. 光电传感器：稀土及过渡金属功能配合物的荧光性质使其成为理想的荧光探针。

通过设计与合成不同配合物，可以用于气体传感、离子传感和生物传感等方面。

例如，利用稀土配合物的荧光性质，可以实现对金属离子和有机分子的高效检测和分析。

2. 催化剂：稀土及过渡金属功能配合物的催化性质使其在化学合成和能源转化等领域中得到广泛应用。

通过调控配合物的结构和组分，可以实现对于有机反应和氧化还原反应的催化活性提升。

例如，钼系配合物在不对称催化合成领域中具有重要应用，可以用于合成高附加值的有机化合物。

三、功能配合物在材料科学中的应用1. 光电材料：稀土及过渡金属功能配合物在光电领域中被广泛应用。

物理实验技术中的过渡金属氧化物的合成与电子结构分析方法过渡金属氧化物是一类具有丰富物理性质和潜在应用价值的功能材料。

在近几十年的研究中，人们发现过渡金属氧化物具有各种各样的电子结构和物理特性，如金属-绝缘体转变、强关联效应和多铁性等。

因此，研究过渡金属氧化物的合成方法和电子结构分析技术对于揭示其物理机制、优化性能以及实现相关器件的应用具有重要意义。

一、过渡金属氧化物的合成方法过渡金属氧化物的合成方法一般可以分为化学法和物理法两大类。

其中，化学沉积法是最常见和常用的一种方法。

化学沉积法包括溶胶凝胶法、水热合成法、溶液凝胶法等。

这些方法具有合成简便、操作灵活、成本较低等优点，可以制备各种形貌和尺寸的过渡金属氧化物。

此外，化学气相沉积法和物理蒸发法等物理法也可以制备高质量的过渡金属氧化物薄膜。

不同的合成方法可以调控氧化物的晶体结构、形貌和物理性质，有助于满足特定应用需求。

二、电子结构分析方法为了研究过渡金属氧化物的电子结构，科研人员使用了多种分析技术。

以下是几种常见的电子结构分析方法：1. X射线衍射（XRD）：XRD技术可以确定材料的晶体结构和晶格参数。

通过对X射线的散射模式进行分析，可以得到晶体的结构、取向、晶界等信息。

这些信息对于了解氧化物的晶体缺陷结构以及晶粒尺寸的影响非常重要。

2. 扫描电镜（SEM）：SEM技术可以观察材料的表面形貌和结构。

通过施加高能电子束，可以得到金属氧化物的高分辨率图像，从而分析样品的形貌和表面性质。

此外，SEM还可以与能谱分析仪（EDS）联用，用于定量分析元素的含量和分布。

3. 透射电子显微镜（TEM）：TEM是一种常用的高分辨率电子显微镜技术，可以观察到材料的晶体结构和纳米尺度的细节。

通过TEM，可以观察到过渡金属氧化物的晶体缺陷、界面和纳米颗粒等结构特征，并且可以进行电子衍射和高分辨透射电子显微学分析。

4. 傅里叶变换红外光谱（FTIR）：FTIR技术利用吸收在红外波段的辐射来研究材料的振动特性。

功能性无机纳米材料的合成与应用研究近年来，随着纳米科技的迅速发展，功能性无机纳米材料的合成和应用研究成为科学界的热点之一。

这些无机纳米材料拥有独特的物理、化学和光学性质，广泛应用于电子器件、催化剂、生物医学等领域。

一、无机纳米材料的合成方法首先，溶胶-凝胶法是一种常见的制备无机纳米材料的方法。

该方法通过溶胶的凝胶过程获得纳米材料，并通过调控溶胶中的成分浓度、溶胶的酸碱性、溶胶的转变方式等条件，可以得到不同性质的纳米材料。

其次，气相沉积法是另一种常用的方法。

这种方法通过将金属有机化合物或金属卤化物等物质在高温下分解，并使其在气体状态下沉积到衬底上形成纳米材料。

这种方法可以控制纳米材料的粒径、形貌和晶型，适用于制备金属、合金、氧化物等不同种类的纳米材料。

此外，模板法也是一种常见的制备无机纳米材料的方法。

该方法利用纳米颗粒、胶体、高分子和晶体等模板，在其上沉积或包裹材料，然后去除模板，得到具有特定结构和形貌的纳米材料。

这种方法可以制备出具有特殊结构和形貌的纳米材料，例如纳米线、纳米球和纳米片等。

二、无机纳米材料在电子器件中的应用功能性无机纳米材料在电子器件中有着广泛的应用。

例如，金属氧化物纳米颗粒作为染料敏化太阳能电池的光电转换层，可以提高太阳能电池的光电转换效率。

另外，量子点作为光电转换材料，具有较窄的光谱吸收和发射带宽，能够用于制备高分辨率的显示器件。

此外，钙钛矿材料作为光电转换材料，由于其高的光吸收系数和电子迁移率，被广泛应用于太阳能电池和光电子器件中。

三、无机纳米材料在催化剂中的应用无机纳米材料在催化剂领域也有着重要的应用。

例如，贵金属纳米颗粒作为催化剂的活性中心，可以提高催化反应的速率和选择性。

此外，过渡金属氧化物纳米材料作为催化剂，具有较大的比表面积和丰富的表面氧空位，能够提高催化反应的活性。

另外，在环境催化剂领域，无机纳米材料也被广泛应用于有害气体的吸附和催化氧化等领域。

四、无机纳米材料在生物医学中的应用功能性无机纳米材料在生物医学中也有着广泛的应用前景。

第1章纳米过渡金属催化有机反应的进展纳米金属粒子一般是指1~50nm尺寸的粒子，在这个尺度内，其形状以及大小对该金属的性能有显著的影响。

其颗粒越小，分布于表面的原子越多。

有报道表明，当纳米粒子的直径为10nm时，有大约10%的原子在粒子表面，而当纳米粒子的直径小于1nm时，则100%的原子都在粒子的表面，这使其成为一种高活性的金属形态。

[1]因而，过渡金属纳米粒子用于催化有机反应近年来在国际上引起了极大的兴趣。

[2-6]近年来，各种形状或尺寸的纳米材料相继被制备出来，它们所具有的特殊性质，为催化剂的发展提供了新的思路。

纳米催化剂可通过化学、物理等方法进行制备。

无论采用何种方法，制备的纳米粒子都必须达到如下要求: 1)粒子形状、粒径及粒度分布可控；2)粒子不易团聚；3)易于收集；4)产率高。

纳米粒子由于其大小位于纳米级尺度，因此表现出了宏观物质不具备或在宏观物质中可被忽略的一些物理效应，例如：表面效应、量子尺寸效应、体积效应以及宏观量子隧道效应等。

纳米催化剂的表面原子的排列方式以及纳米粒子的晶态结构和形状对其催化作用有显著影响。

由于表面效应使得纳米催化材料的比表面积大、表面能高、晶内扩散通道短、表面催化活性位多，同时由于反应条件温和、催化性能优异而且易于与反应产物分离，具有高活性和高选择性，因此相对于常规催化剂而言，纳米催化剂在催化领域有着更为广阔的应用前景[7]。

加之反应结束后纳米粒子可以回收而且依然保持催化活性，所以可以重复使用，且其制作过程不污染环境，是一种环境友好的催化剂，从而具有常规催化剂所无法比拟的优点。

国际上已把纳米催化剂称为第四代催化剂[7]。

1.1纳米过渡金属催化剂的一般制备和稳定方法1.1.1 纳米过渡金属催化剂的一般制备方法过渡金属纳米粒子一般可由如下方法制备[8,9]：溶胶-凝胶法、浸渍法、微乳液法、离子交换法、水解法、等离子体法、微波合成法；金属盐的化学还原；零价金属配合物的热、光以及超声化学分解；有机金属化合物配体还原；气相沉积；以及高价金属的电化学还原等。

二氧化锡纳米材料的制备与扩展二氧化锡纳米材料是一种具有广泛应用前景的过渡金属氧化物，因其独特的物理化学性质而受到广泛。

本文将详细介绍二氧化锡纳米材料的制备方法以及扩展方法，旨在为相关领域的研究提供参考。

在制备二氧化锡纳米材料方面，本文介绍了一种简单易行的溶液法。

将锡粉溶解在适量的盐酸盐酸中，得到锡的乙二醇溶液。

然后，将一定量的硝酸加入到上述溶液中，并在一定温度下剧烈搅拌，使锡离子与硝酸根离子反应生成二氧化锡纳米粒子。

通过离心分离和洗涤干燥得到纯度较高的二氧化锡纳米材料。

该方法具有操作简便、成本低廉等优点。

在扩展方法方面，本文着重介绍了两种方法。

通过添加不同种类的纳米粒子，可以有效地改善二氧化锡纳米材料的性能。

例如，将二氧化硅纳米粒子添加到二氧化锡纳米材料中，可以显著提高其光学性能，使其在光催化领域具有更广泛的应用。

改变制备条件也是一种有效的扩展方式。

例如，通过调控制备过程中的温度、pH值等参数，可以调节二氧化锡纳米材料的形貌和尺寸，从而获得具有优异性能的二氧化锡纳米材料。

尽管二氧化锡纳米材料具有许多优点，但仍存在一些不足之处。

例如，其制备过程有时可能涉及较为复杂的化学反应，导致成本较高。

关于二氧化锡纳米材料的应用领域仍需进一步拓展。

未来研究方向可以包括优化制备工艺、发掘新的应用领域以及探究其潜在的物理化学性质等。

二氧化锡纳米材料作为一种具有广泛应用前景的过渡金属氧化物，其制备与扩展方法具有重要的研究价值。

通过不断地优化制备工艺、发掘新的应用领域以及探究其潜在的物理化学性质，有望为相关领域的发展做出重要贡献。

纳米二氧化铈是一种具有重要应用价值的无机纳米材料，因其独特的物理化学性质而受到广泛。

本文将概述纳米二氧化铈的制备方法及其优缺点，并探讨其在不同领域的应用研究进展，同时展望未来的发展方向。

纳米二氧化铈的制备方法主要包括化学沉淀法、还原法、气相法等。

化学沉淀法是一种常用的制备纳米二氧化铈的方法。

该方法通过控制反应条件，如溶液的pH值、温度和反应时间等，合成不同形貌和尺寸的纳米二氧化铈粒子。

五氧化二钒纳米材料的制备及其性能综述【摘要】五氧化二钒独特的物理和化学性能，广泛应用于传感器、致动器、锂离子电池、场效应管以及电致变色等领域。

氧化钒纳米材料的性能与其微观结构有密切关系，本文综合了近年来有关五氧化二钒的制备技术及相关性能研究，从实验方案，相关性能，结构形貌的表征等方面进行系统的阐述。

【关键词】五氧化二钒纳米材料金属氧化物1 引言过渡金属氧化物V2O5为层状结构，且存在V+2、V+3、V+4和V+5等价态，使得V2O5广泛应用于催化、电致变色、电化学等领域，而纳米结构的V205更可用于场效应晶体管、传感器自旋电子器件和纳米光刻模板等。

V2O5具有层状结构层内强的O-V-O-V键结合，�案�V原子与五个O原子形成5个V-O键，V原子处于畸变的[V05]四方锥的中间，O原子位于顶点处，[VO5]四方锥以共顶点和共边的方式相互连接，形成平面结构。

其特殊的晶体和电子结构，赋予了不同的应用。

（1）电学性能及其应用；扶手椅型之字型结构的V2O5纳米管最大能隙分别为2.67eV/2.95eV，且管径缩小，能隙降低，趋于消失，对材料进行表面涂覆贵金属、氧化物纳米粒子或者半导体量子点等处理，还可提高其灵敏度和稳定性。

V2O5的层状结构，非常适合于Li+的嵌入和脱出，Wu等利用碳球模板制备了Rattle-type构型的V2O5纳米结构，在锂离子电池方面展现出良好的性能。

Dimitra Vernardou采用电化学沉积的方法，在氧化铝表面进行氧化钒电镀，测试了不同种基底材料包括FTO和Ag/AgCl等离子复合，进行了循环次数和电能储量等测试，研究发现钒系材料在多次循环后CV曲线几乎保持不变，同时在持久性也有良好的表现。

如图（1-3）所示。

图1 图2图 3（2）光学及其应用；对V2O5纳米管进行电致变色、光学吸收、红外和剩曼光谱、光限幅特性等方面的研究，发现其在2.5eV以下有一个宽吸收带，其中心位于1.25eV处，还包含了三个单独的特征吸收峰，分别为0.87、1.25和1.76 eV，光谱吸收阈值为0.55 eV，这是V2O5纳米管的光学带隙随着层间距的增加，光学带隙发生红移，利用V2O5纳米线作为刻他模板制备的AuPd纳米金属线，电阻在lOIdl量级，I-V呈现线性关系，而且能制备纳来空隙，得到与金属纳来线相同的横截面。

过渡金属氧化物纳米材料制备方法技术综述作者：吴晗来源：《科学与财富》2017年第27期摘要：在过渡金属氧化物纳米材料制备方法领域中，其初衷就是按照人类的意愿去控制原子的排列，而实现这种意愿的手段无非通过将宏观的变为微观的纳米材料或者将更微观的原子等变为纳米材料，因此本综述将过渡金属氧化物纳米材料的制备方法分为两大类，一为“自上而下（Top-Down）”，二为“自下而上（Bottom-up）”。

关键词：过渡金属氧化物；纳米；自上而下；自下而上1、概述过渡金属氧化物表现出丰富的价态和价电子构型，被广泛应用在半导体、催化、传感器、磁存储、发光材料、光电转化、太阳能、燃料电池、锂离子电池、超级电容器、生物传感、无机颜料、气敏、热电等领域[1-2]。

过渡金属氧化物纳米材料的制备方法横跨了液相、固相、气相三种相态，制备方法繁杂众多，本综述尝试按照新的分类体系进行分类综述，在过渡金属氧化物纳米材料制备方法领域中，其初衷就是按照人类的意愿去控制原子的排列，而实现这种意愿的手段无非通过将宏观的变为微观的纳米材料或者将更微观的原子等变为纳米材料，所以将过渡金属氧化物纳米材料的制备方法分为两大类，一为“自上而下（Top-Down）”，二为“自下而上（Bottom-up）”。

“自上而下”是指将较大尺寸（从微米级到厘米级）的物质通过各种技术变小来制备所需的纳米结构，一般涉及物理反应。

而“自下而上”是将原子、分子、纳米粒子等为基础单元构建纳米结构的方法，一般涉及化学反应。

2、“自上而下”“自上而下”法往往包括：机械粉碎、高能球磨、固相煅烧、激光刻蚀、电化学等。

具体来说：机械粉碎一般是将过渡金属氧化物颗粒或者大块固体进行破碎。

虽然机械破碎法原理比较简单，但是仅通过机械力将其破碎成纳米尺寸是比较艰难的，因此该方法研究偏向于粉碎设备的研究，如胶体磨，纳米微粉机或称为纳米机。

固相煅烧法按照是否发生化学反应可以分为固相直接煅烧法和固相化学反应法。

过渡金属氧化物单原子-概述说明以及解释1.引言1.1 概述过渡金属氧化物单原子是近年来备受研究关注的新型材料，其具有许多独特的物理和化学性质。

单原子过渡金属氧化物是指由过渡金属原子和氧原子组成的一种化合物，其中过渡金属原子以单原子形式存在。

过渡金属氧化物具有广泛的应用前景，可以应用于催化、电化学储能、传感、光电子器件等领域。

由于其特殊的电子结构和表面活性，单原子过渡金属氧化物展示出卓越的催化活性和选择性，可用于催化剂的设计和合成，例如在氧还原反应、氢生成、CO2还原等重要反应中发挥重要作用。

然而，单原子过渡金属氧化物的研究仍面临许多挑战。

首先，合成单原子过渡金属氧化物的方法需要进一步改进，以提高合成效率和产量。

其次，对于单原子过渡金属氧化物的结构和性质的深入理解需要更加精确的实验技术和理论模拟方法的支持。

此外，如何克服单原子催化剂的稳定性和寿命的问题也是亟待解决的难题。

本文将对过渡金属氧化物单原子的定义和特性进行介绍，并总结目前单原子过渡金属氧化物的研究现状。

同时，将展望单原子过渡金属氧化物在催化领域的应用前景，并探讨未来研究的方向和挑战。

希望通过深入的研究和探讨，能够为单原子过渡金属氧化物的应用和发展提供新的思路和方向。

1.2 文章结构文章结构：本文主要分为引言、正文和结论三个部分。

引言部分主要对过渡金属氧化物单原子的研究背景和意义进行概述，介绍过渡金属氧化物的定义和特性，并阐述本文的目的。

正文部分将详细讨论过渡金属氧化物的定义、特性以及单原子过渡金属氧化物的研究现状。

其中，2.1部分将介绍过渡金属氧化物的基本概念、性质和应用领域，并讨论其在催化、电化学和能源领域的应用。

2.2部分将对单原子过渡金属氧化物的最新研究进展进行详细介绍，包括制备方法、物理性质以及在催化和电化学中的应用情况。

结论部分将总结本文的主要内容，重点说明单原子过渡金属氧化物的应用前景，并提出未来研究的方向和挑战。

在此部分，将强调单原子过渡金属氧化物在催化剂设计和能源转化中的重要性，并展望其在环境保护和能源可持续发展方面的潜在应用。

四氧化三钴纳米材料的控形制备及其电化学性能研究四氧化三钴（Co3O4）是一种重要的过渡金属氧化物材料，具有优异的电化学性能。

近年来，研究人员通过纳米材料制备技术不断提高Co3O4的性能，并将其应用于能源储存和电化学传感器等领域。

本文将介绍Co3O4纳米材料的控形制备方法以及其电化学性能的研究。

Co3O4纳米材料的控形制备方法主要有溶胶凝胶法、水热法、氢化还原法、微乳液法等。

其中，溶胶凝胶法是一种常用的制备方法，可以通过控制前驱体浓度、溶剂和热处理条件等来调控Co3O4的形貌和结构。

此外，水热法也是一种常见的制备方法，通过调节反应温度和时间可以合成不同形貌的Co3O4纳米材料。

氢化还原法和微乳液法则主要通过对前驱体的还原和乳化反应来制备Co3O4纳米材料。

这些方法可以有效地控制Co3O4纳米材料的粒径、形貌和结构，对于提高其电化学性能具有重要的意义。

Co3O4纳米材料的电化学性能主要包括电容性能和催化性能两个方面。

对于电容性能，Co3O4纳米材料具有优异的比电容和循环稳定性，可以用于超级电容器的制备。

研究表明，Co3O4纳米材料的比电容主要受到其表面积、电子传导性和离子扩散性等因素的影响。

因此，通过调节Co3O4纳米材料的形貌和结构，可以有效地提高其比电容和循环稳定性。

此外，掺杂和复合Co3O4纳米材料也是提高其电容性能的重要途径。

对于催化性能，Co3O4纳米材料主要应用于氧还原反应（ORR）、氢析出反应（HER）和氧析出反应（OER）等电化学过程。

研究表明，Co3O4纳米材料的催化性能受到其形貌、晶面结构和导电性等因素的影响。

通过控制Co3O4纳米材料的形貌和结构，可以有效地提高其催化活性和稳定性。

此外，Co3O4纳米材料的复合和修饰也是提高其催化性能的重要途径。

总之，四氧化三钴纳米材料通过控形制备方法可以得到不同形貌和结构的纳米材料，从而具有优异的电化学性能。

未来的研究可以进一步优化Co3O4纳米材料的制备方法，提高其电化学性能，并探索其在能源储存和电化学传感器等领域的应用。