特定形貌与组成可控的多元复合SnO2等中空结构纳米晶的合成及催化性能研究

Fabrication of porous and hollow multi-component composite metal oxide nanomaterials with a specific morphology is a fundamental issue of the creating high-performance catalytic materials and new functional devices. This project intends to use the specific morphology of metal oxide nanocrystals as a template to synthesize multiple composites of SnO2 nanocrystals with hollow nanostructures and specific morphology by electrochemical replacement. We will study the electrochemical reaction between the nanocrystalline template (e.g. Cubic CeO2. etc) and the precursor containing a metal element such as Sn substitution and will systematically investigate the electrochemical displacement reactions which induce the formation of pinholes on the template surface of the crystal. In addition, we will study the effect of precursor's concentration, the reactant's adding speed and other parameters on the formation of pinholes in the nanocrystal surface and try to find the threshold size of different nanocrystal templates which could be completely reduced by the Sn2+ precursor. Furthermore, we should clarify the replacement mechanism to generate SnO2 hollow structures with a specific morphology on CeO2 and other templates, regulate multiple composite metal oxide ratios of each component and prepare multiple composite hollow SnO2 nanomaterials. Finally, we will investigate the catalytic performance for the decomposition of the CVOC over the prepared hollow composite SnO2 nanomaterials. Therefore, this research project has important implications for the design and synthesis of hollow nanomaterials and holds promise to construct nanostructured catalysts.

具有特定形貌和多组分复合金属氧化物中空结构纳米材料是高性能催化材料和功能器件研制的基础。本项目拟用特定形貌的金属氧化物纳米晶作为模板，采用电化学置换法制备具有特定形貌的多元复合的SnO2纳米晶。研究模板纳米晶(如立方体CeO2等)与含有Sn等金属元素的前驱体之间的电化学置换反应过程，系统考察电化学反应诱导的模板晶体发生氧化还原反应的过程，研究通过调控前驱体浓度和加入速率等参数对纳米晶表面成孔的影响，寻找不同模板纳米晶能够被完全置换生成SnO2结晶的尺寸大小的阈值，阐明SnO2在特定形貌和结构的CeO2等模板上置换生成空心结构的机理，选择和调控多元复合金属氧化物各组成的比率，制备不同组分和含量的多元复合SnO2等中空结构纳米材料。研究该类新型中空复合纳米材料催化分解含氯挥发性有机化合物的性能，实现高性能纳米催化材料的优化和合成。本项目的研究对中空纳米材料的设计和制备具有重要的理论和实际意义。

具有特殊形貌结构和组合的金属氧化物纳米材料一直是功能材料及其相关功能器件研究的基础与热点。本项目主要研究了Sn、Mn、Ce等多元金属复合材料对氯苯催化燃烧的影响，制备低温高效的催化剂；研究了不同形貌的Sn、In、Ni等金属氧化物对有机气体等的气敏响应，并研发了低耗MEMS气敏元件；研究了Au、N等掺杂修饰的多孔材料对金属离子的电化学检测，实现对水中低浓度重金属离子的快速检测。.研究发现采用Sn、Mn等元素掺杂制备多元复合金属氧化物用于氯苯催化燃烧，催化温度T90低至约200℃，且催化剂转化率保持在90％以上至少1000min；使用多孔介质材料KIT-6负载金属氧化物并进行催化燃烧研究，通过增加催化剂比表面积、分散性等增加了催化性能；同时制备有序介孔、立方体等不同形貌的CeOx基催化剂，提高了催化活性与抗中毒能力；采用Pb掺杂介孔、空心微立方体、空心球等不同形貌的二氧化锡，用于乙醇、甲醛、CO等的检测，具有较高的灵敏度与选择性，同时将Pb掺杂介孔材料用于制备MEMS气敏元件，其在300℃时功耗低至45mw；制备出花状二氧化钛、花状氧化铟、有序介孔氧化镍、层状立方体二氧化锡等多种形貌的气敏材料，实现对甲醛等的低温、高灵敏度检测；采用Au掺杂泡沫碳材料并用于金属离子的电化学检测，其对铅离子具有0.01到1.2μM的检测限，沉积时间为180s时的最低检测限为0.63 nM；采用N掺杂多孔碳材料用于电化学检测金属离子时抗干扰力强，对Pb2+、Cu2+和Hg2+的检出限分别为15、17和2.35 nM，明显低于饮用水水质指标值。.通过本项目的研究，阐明了具有特定形貌和多组分复合金属氧化物对改善氯苯催化燃烧性能、VOCs等气敏性能以及对重金属离子的电化学检测性能的影响；建立了可调控的多孔结构纳米晶的制备方法；设计出了高催化活性、抗毒力强的催化剂和高灵敏度、高选择性的气敏材料以及抗干扰力强、检测限低的电化学检测材料。本项目的研究成果为新型纳米尺度的多功能多孔材料的研发和应用提供了理论基础和实验依据，具有一定的科学意义和实际应用价值。