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由层状双羟基复合金属氧化物材料(layered double hydroxides,简称LDHs,又叫类水滑石)在高温氧化条件下转化所得复合金属氧化物材料(Mixed Metal Oxides,简称MMO)在催化、磁学、光学等领域有着广泛的应用前景。在由LDHs向MMO转化过程中,材料的微观结构、物相组成及宏观形貌等发生一系列规律变化；同时,材料的最终性能也是与上述结构及物相变化密切相关的。本论文围绕LDHs材料高温转晶机制及所形成MMO材料的相界面处相互耦合作用导致性能的一系列变化开展基础研究。针对目前该领域中的科学问题,首先选取ZnAl-LDHs为前驱体,系统研究了其在高温转晶过程中的微观结构及物相变化,并提出相关LDHs向MMO的转晶机制。在此基础上,分别研究了MMO材料中不同物相界面处的耦合作用对最终性能的影响。此外,针对LDHs材料在光催化领域的争议,探讨了其去除有机染料分子中的真实因为。本研究工作可望为深入理解LDHs高温转晶过程及基于实际需要对MMO材料进行构筑并对最终性能进行调控奠定一定理论和实验基础。
本论文的创新点和研究结果如下:
首先,针对LDHs在高温氧化条件下的转晶机制这一关键科学问题,以ZnAl-LDHs为前驱体,采用包括高分辨投射电镜在内的多种表征手段对其向最终ZnO／ZnAl2O4纳米复合材料的转化过程进行研究。结果证实,ZnAl-LDHs分别经历了水滑石结构破坏与ZnO成核、ZnO的取向生长与.ZnO／ZnAl2O4复合材料形成的三个阶段。在此基础上,提出了相关的LDHs向MMO的转晶机制,同时,该机制被证明具有良好的普适性。
其次,基于LDHs向MMO转化过程中的结构特征,研究了ZnO／ZnAl2O4复合纳米材料的光催化性能。经高温转化后,在ZnAl2O4和ZnO相界面处形成了纳米异质结的结构；因此两种半导体物相间存在较强耦合作用,有利于分离光生电子一空穴对,从而与单相ZnO材料相比,所得ZnO／ZnAl2O4复合纳米材料具有更高的光催化活性。
第三,针对纳米磁性粒子存在的“超顺磁限制”问题,以NiFe-LDHs为前体,在高温条件下利用LDHs的拓扑效应制备得到NiO／NiFe2O4纳米复合材料。NiO和NiFe2O4相界面处较强的铁磁／反铁磁相互耦合作用有效提高了NiFe2O4纳米粒子的磁热稳定性。与相同粒径的NiFe2O4粒子相比,NiO／NiFe2O4纳米复合材料中的NiFe2O4的截止温度(TB)提高了200 K以上。
本论文最后针对LDHs材料在去除有机染料分子领域的广泛应用,深入探讨了该反应本质。选取代表性MgAl-LDHs和ZnCr-LDHs为研究对象,基于一系列光照／暗处条件的去除不同染料分子实验及密度泛函计算结果,讨论了MgAl—LDHs和ZnCr-LDHs去除有机染料分子及ZnCr-LDHs不具备光催化活性的真实因为。