氧化铈纳米杆的制备与表征性能分析

　　0引言

　　近年来二氧化铈独特的物理化学性质激起了科学家们浓厚的研究兴趣。作为最具活性的金属氧化物之一，纳米氧化铈在许多领域都有着非常重要的应用，如生物领域、抛光材料、三效催化剂、氧传感器、固体燃料电池和紫外线屏蔽剂等领域[1-3].目前，合成纳米氧化铈的方法有许多种，例如水热法、沉淀法、溶胶-凝胶法等等[4].其中水热法因具有一步合成、温度低、操作简单、能量消耗低且有可能大规模工业化生产等优点而越来越受人们青睐[5].

　　对于纳米结构的氧化铈材料来讲，除了纳米尺寸效应导致的一些显着的性质变化之外，二氧化铈的性质随着形貌、形状及暴露的晶面的不同也会产生很大的差异[6].因此，在过去十年研究者们投入了大量的努力去探讨纳米氧化铈形貌可控合成。到目前为止，人们已经成功地可控合成具有特殊形貌的纳米二氧化铈或者氧化铈基材料，如纳米颗粒、纳米线、中空球形、纳米立方块、花束形和其他混合结构[7-11].在所有的氧化铈形貌中，1D纳米氧化铈因具有优异的性能而备受人们关注。本文利用水热法制备了氧化铈纳米杆，利用透射电子显微镜和扫描电镜等对其微观结构进行表征。另外，检测了所制备的氧化铈纳米杆的紫外线吸收性能，为功能纳米材料的实用化提供一定的理论基础。

　　1实验

　　1.1合成

　　取1mol的Ce（Ac）3·nH2O和0.01mol的Na2HPO4溶于40mL的去离子水中，在磁力搅拌下反应15min.然后将混合溶液转移至50mL高压反应釜中，在230℃条件下反应24h,待反应釜冷却至室温后，分别用蒸馏水和无水乙醇将制备的白色沉淀离心过滤，去除多余的离子，最后在60℃的温度下烘干得到氧化铈纳米杆。

　　1.2表征

　　采用X射线衍射仪（XRD）（RigakuD/Max-1200X型）分析样品的物相，实验条件：CuKα射线，电压30kV,电流100mA,扫描范围2θ为25-80°；采用扫描电子显微镜（SEM）（HitachiSU8000）观察样品的形貌；采用200kV场发射透射电子显微镜（TEM）（日立JEM-2010F）分析样品的晶体结构；采用UV-vis分光光度计测试纳米氧化铈的紫外线屏蔽性能。

　　2结果与分析

　　为了确定样品的物相组成，对水热法制备的样品进行了XRD表征，图1为所制备样品的X射线衍射图。与氧化铈的特征谱进行比较，其特征峰分别从左到右对应氧化铈的（111）、（200）、（220）、（311）、（222）、（400）、（331）、（420）晶面，没有其他杂峰。这说明产物具有较高的纯度，样品只能为含有萤石结构的CeO2晶体。

　　图2中a、b是氧化铈纳米杆两种不同放大倍数的SEM图，从图可以看出样品的纳米结构呈杆状，杆的形貌较细长，经测得杆的平均直径~10nm,平均长度~400nm.图2c是样品的TEM图，纳米杆比较均匀，直径~10nm,长度为几百纳米。图2d是TEM图中某一单根氧化铈纳米杆的放大图，图中氧化铈纳米杆的结晶度良好，无明显缺陷。采用HR-TEM进一步观察试样的微观结构，图2e中电子是沿着[110]方向入射，纳米氧化铈杆的垂直于表面方向为（224）,是沿着<112>方向生长。

　　利用Ce（Ac）3·nH2O和Na2HPO4作为反应试剂制备氧化铈时，Na2HPO4的水解较弱，OH-离子的释放非常缓慢，水解方程式如下：Na2HPO4+2H2O→3Na++2OH―+H2PO4―（1）Ce（Ac）3·nH2O中提供的Ce3+阳离子只有少量的与Na2HPO4水解的OH-发生化学反应，产生白色Ce（OH）3·nH2O悬浊液，而大量的Ce3+依然游离在水溶液中，其反应如下式：Ce3++3OH―+nH2O→Ce（OH）3·nH2O（2）在高温高压环境下，由于没有外来的氧气进入，只能依靠水溶液中溶解的氧气氧化，反应相对缓和，其反应方程式如下：4Ce（OH）3·nH2O+O2→4CeO2·nH2O+4H3O++2O2―（3）生成的CeO2·nH2O经过凝聚、形核和较慢的自组装过程，组装的纳米杆在平衡状态下生长，从而形成细而长的杆状纳米氧化铈。

　　为了研究纳米氧化铈的抗紫外线能力，采用UV-vis分光光度计对其紫外线屏蔽性能进行测试，得出其紫外线吸收光谱图（如图3）.从图可以看出，样品在波长小于400nm的位置显示出很强的吸收能力，在波长大约大于400nm的波段保持在一个较低的水平，在波长为310nm处氧化铈纳米杆对紫外线的吸收出现峰值。另外，CeO2在270~340nm的波段之间有强烈的紫外线吸收能力是因为O2-（2p）轨道和Ce4+（4f）轨道上的电子转移引起的。据文献[12]所知，一个良好的紫外线屏蔽材料对波长少于400nm的紫外线有很好的吸收能力，而氧化铈纳米杆正正满足这个要求，因此可作为理想的紫外线屏蔽材料。
　　
　　3结论

　　1）本实验通过低温水热一步法合成了氧化铈纳米杆。纳米杆形貌比较细长，平均直径~10nm,平均长度~40nm,并且生长方向沿着<112>晶向族方向生长。
　　2）制备的氧化铈纳米杆能强烈吸收紫外线，且有很宽的吸收波段，在波长为310nm处对紫外线的吸收出现峰值，是理想的紫外线屏蔽材料。

　　参考文献：
　　[1]徐灿，曲晓刚。稀土二氧化铈在生物领域的最新研究进展[J].中国科学：化学，2014,44（4）:506-520.
　　[2]吕逢娇。二氧化铈抛光材料应用的研究进展[J].新材料产业，2014（2）:56-59.