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1、J I A N G S U U N I V E R S I T Y本 科 毕 业 论 文离子液体辅助合成-Fe2O3中空微球及其光催化性能的研究Ionic liquid assisted synthesis and photocatalytic properties of -Fe2O3 hollow microspheres学院名称：化学化工学院专业班级：应用化学09(02)班学生姓名： 学 号： 指导教师姓名： 指导教师职称： 201 年 月目录第一章 离子液体简介及离子液体在纳米材料合成中的应用- 1 -1.1离子液体的介绍- 1 -1.2 离子液体用于纳米材料的合成- 3 -1.2.1金
2、属纳米粒子- 3 -1.2.2 非金属材料- 4 -1.2.3金属氧化物- 4 -1.2.4 盐类物质- 5 -1.2.5多孔纳米材料- 6 -1.3 本文的主要内容及研究意义- 6 -第二章 反应型离子液体辅助溶剂热合成-Fe2O3中空微球及其性质实验- 8 -2.1 实验药品- 8 -2.2 实验仪器- 8 -2.3 样品的制备- 8 -2.4 光催化活性研究- 9 -第三章 结果和讨论- 10 -3.1 X射线衍射分析- 10 -3.2 扫描电子显微镜分析- 11 -3.3 傅立叶变换红外光谱分析- 13 -3.4 紫外漫反射光谱分析- 14 -3.5 -Fe2O3样本的光催化活性- 1
3、5 -第四章 结论- 19 -致谢- 20 -参考文献- 21 -离子液体辅助合成-Fe2O3中空微球及其光催化性能的研究摘要：本文通过1-辛基-3-甲基咪唑四氯合铁金属型离子液体(OmimFeCl4)溶剂热合成了中空、球状结构的-Fe2O3材料。通过X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、能谱(EDS)、固体紫外(DRS)、红外(FT-IR)等方法对催化剂进行表征分析。并考察了离子液体的浓度对-Fe2O3结构形态的影响。研究结果表明，OmimFeCl4离子液体在-Fe2O3中空微球的合成过程中不仅作为铁源，还起到了溶剂和模板剂的作用。另外，我们也考察了-Fe2O3的光催
4、化性质。结果表明-Fe2O3显示了高的光催化活性。这种设计型中空球状结构在光催化方面展现了潜在的应用。关键词：-Fe2O3 ；光催化；离子液体；中空微球江苏大学本科毕业论文第一章 离子液体简介及离子液体在纳米材料合成中的应用1.1离子液体的介绍随着经济和科学技术的不断发展，人们对健康和环境的关注越来越多，要求也越来越高。“绿色化学”、“环境友好化学”、“清洁技术”等概念的提出对传统的化工生产工艺流程提出了更高的要求和新的挑战。离子液体（Ionic liquids： ILS），又称为室温熔融盐（room temperature molten salts），区别于常规的熔融盐，一般是指在是指在室温
5、或近室温下完全由阴阳离子组成的液体1, 2。该类液体一般是由含氮、磷的有机阳离子和大的无机阴离子组成，最常见的是咪唑盐、吡啶盐、烷基铵盐、烷基磷酸盐等。图1为常规离子液体的阳离子和阴离子的组成和分类，离子液体的水溶性主要取决于离子液体阴离子的选择。图1 常规离子液体的阳离子和阴离子组成和分类示意图3离子液体外观看起来类似于水或甘油等液体，但离子液体却具有很多水和一般常规有机溶剂所无法比拟的物理化学性质4-6：1、液相温度区间比较宽，具有很好的热稳定性。许多离子液体具有大于300的液相范围，而水只有100的液相范围，氨是44。离子液体较宽的温度区间使得在较大程度上的动力学控制成为可能，同时由于离
6、子液体的熔点在室温附近，较低的熔点可避免分解、歧化等副反应的发生。2、溶解范围比较宽，溶解能力较强，由于离子液体具有较强的极性，有很高的溶解性和弱配位性或非配位性，可以溶解许多有机物、无机物和高分子材料，且溶解能力较大同时可以溶解H2、CO和O2等气体，即可以作为催化加氢、羰化、加氢醛化、氧化等化学反应的溶剂。离子液体还是一种非质子溶剂，可以减少溶剂化现象的出现，由于具备较强的离子环境，可以延长许多物质的使用寿命。3、离子液体的蒸气压小，几乎不挥发，不可燃、不氧化、毒性较小，可用于高真空体系，可降低反应中因溶剂挥发而造成的环境污染，这也是离子液体之所以被称为“绿色溶剂”的重要依据。4、离子液体
7、对有些不互溶的有机溶剂可以提供一个非水、极性可调的两相体系，离子液体具有一定的表面活性功能，在溶液中可以形成微乳体系7。此外，有些特殊的功能化离子液体本身具有液晶的性质8。5、粘度低，热容大，对潮湿空气稳定，易于处理。图2 功能化离子液体的应用示意图136、可以简单的通过调节合适的阴/阳离子的组合得到不同憎水/亲水和极性的离子液体，因此离子液体也被称为“设计性溶液”。同时由于含有如BF4-和PF6-等的弱配位阴离子，离子液体作为潜在的极性非配位溶剂，在阳离子存在下可以很好的提高反应的速率。7、离子液体的离子电导率高，电势窗大，可达到3-5V。由于离子液体相对于常规的溶剂具有好的热稳定性、几乎可
8、以忽略的蒸汽压、高的传导性、高的调变性以及较宽的电化学窗口而被用来替代常规溶剂广泛用于各个领域中。目前为止，离子液体已经被广泛用于有机合成的溶剂9、分离提取的新溶剂10、两相催化反应的介质11以及功能材料12合成的应用中(图2)。1.2 离子液体用于纳米材料的合成相对于离子液体在有机合成和催化反应方面的广泛应用和深入研究14，离子液体在无机纳米材料合成方面的研究现处于初步阶段。2000年，Dai等15首次使用离子液体emimTf2N代替水溶液作为反应溶剂，通过溶胶-凝胶法用正硅酸甲酯（TMOS）合成了稳定的二氧化硅气凝胶。与常规合成气凝胶的溶胶-凝胶法相比，室温离子液体由于具有蒸气压小、熟化时
9、间长的特点，具有较高的离子键力，可以提高反应的聚合产率，同时有助于水解和浓缩，从而有利于气凝胶的结构趋向于稳定化。在此之后，离子液体被尝试用在各种材料的合成中，至今离子液体液体已经被应用于金属单质结构、非金属结构、硅、有机硅、无机金属氧化物、金属硫化物、金属盐、离子液体功能复合材料和支撑离子液体等材料的合成中，已有的研究表明，离子液体在材料合成过程中能起到溶剂、模板剂、稳定剂和还原剂等作用，对功能材料形成过程起到重要的作用。一般来说，离子液体中合成的功能材料大致可以分为以下几类:1.2.1金属纳米粒子相对于块状大尺寸的金属单质，纳米级的金属颗粒具有独特的物理化学性质，现已广泛应用于催化反应、电
10、子学、光学、磁学以及生物医药学等领域的研究中16。正因为如此，金属纳米粒子的合成成为目前研究的热点之一。常用的金属纳米颗粒合成的方法为自下而上的湿化学法，这是由于在该体系中金属原子可以很好的与聚合物、配合物、胶束、微乳液以及表面活性剂等捕获剂和稳定剂相结合形成均匀分散的金属纳米颗粒17。金属纳米颗粒的表面自由能比较高，容易团聚，捕获剂和稳定剂的引入能很好的阻碍金属纳米颗粒的聚集。常规的湿化学合成法中，使用的溶剂主要为水和有机溶剂。离子液体是由有机阳离子和无机阴离子组成的液体，其独特的结构使得其可以作为介质和稳定剂用于金属纳米颗粒的合成中，同时反应的产物易于分离提纯，且离子液体可以回收循环使用。
11、1.2.2 非金属材料离子液体在金属单质纳米颗粒的可控合成方面已经进行了很多的研究。与此同时，在非金属材料的合成方面，离子液体也起到至关重要的作用。Zhu等18通过微波加热的合成方法在离子液体BupyBF4中成功制备得到了Te纳米棒和纳米线，研究结果显示离子液体和微波加热对Te材料的形貌起到重要的作用，离子液体除了作为反应溶剂和微波吸收剂外，还起到表面活性剂的作用。Zhang等19通过在反应釜中160加热溶解有葡萄糖的离子液体BmimBF4成功制备得到了直径为1 m的碳球材料，研究显示反应温度对材料的形成和粒径起到至关重要的作用。最近，Dai20等通过阳离子含腈基离子液体(BCNImCl、BC
12、NImTf2N、MCNImTf2N等)在N2气氛下800反应直接分解得到了氮掺杂多孔碳材料，研究结果显示离子液体阴阳离子的组合对碳材料的形貌和结构起到至关重要的作用。Antonietti21课题组也在含腈基Emimdca离子液体中成功合成了氮掺杂石墨烯碳材料。该类方法为多孔碳材料的简单、快速合成提供了新的途径。1.2.3金属氧化物金属氧化物由于具有特殊的物理化学性质，在催化反应、环境保护等很多领域得到广泛应用。相对于金属单质和非金属材料，离子液体在金属氧化物的合成方面也进行了较多的研究，已经有很多不同的半导体金属氧化物在离子液体环境中成功制备。二氧化钛材料是金属氧化物家族中研究较多的一种材料，
13、由于其特有的性质而被广泛应用于光催化、太阳能电池和场致发光复合器件等领域。但是常规的制备方法得到的TiO2多为无定型态，且重结晶温度较高，易破坏纳米晶体本身的结构，使其失去特定的化学性质。室温离子液体由于具有较低的表面张力的优点，具有较高的成核率，可以形成较小的微粒。Kimizuka等22通过溶胶-凝胶法将离子液体BmimPF6加入到Ti(OBu)4的甲苯溶液中，制备出直径为3-20 m，壁厚为1 m的锐钛矿TiO2中空微球，并采用不同的金属纳米粒子和羧酸对中空球内、外表面进行修饰，得到特殊功能的TiO2纳米中空球，并用于光催化方面的研究。研究结果显示，中空微球的尺寸可以通过调节反应的温度和搅
14、拌的速度来实现。Zhou等23人利用室温离子液体BmimBF4和TiCl4的混合溶液在80条件下制备得到了2-3 nm的TiO2锐钛矿纳米晶体，该晶体能自组装生成大小在70-100 nm的海绵皂状TiO2材料。另外Yoo等24人在室温离子液体BmimPF6中通过溶胶-凝胶法合成了锐钛矿结构的TiO2纳米粒子，具有很高的比表面积和纳米孔道结构。该结构纳米TiO2材料在催化、太阳能转化以及电子发光复合器件中有潜在的应用。Wang等25在离子液体BmimBF4中通过微波加热的方法合成得到了花状和针状的ZnO材料。同样，Cao课题组在C2OHmimCl、BmimCl、BmimBF4中通过微波加热合成不
15、同结构和形貌的ZnO材料26。Zhou等27在油酸和乙二胺形成的离子液体中合成得到了六角形金字塔状的ZnO材料。Zhu等28通过功能化离子液体Zn(L)4(NTf2)2(L=烷基胺)离子热合成了花状结构的ZnO层状结构，研究显示ZnO材料的形貌随着离子液体中烷基链的长度改变而变化。Taubert等29以四丁基氢氧化铵离子液体为前躯体，合成得到了ZnO材料，研究显示离子液体除了提供碱性环境外还起到模板剂的作用，对ZnO材料的形貌起到较好的调控作用。除了TiO2和ZnO外，其他金属氧化物材料如Co3O430、CeO231、SnO232、CuO33、Cu2O34、Fe2O335、NiO36、ZrO237、PbO38 和Al2O339等也在离子液体体系中成功制备，离子液体在反应过程中对材料的生长起到重要的调控作用。1.2.4 盐类物质离子液体除了在金属纳米颗粒、非金属材料、金属氧化物以及金属硫化物的合成中得到广泛的应用外，在无机盐类物质的合成中也进行了相关的研究。Taubert40以十二烷基吡啶四氯合
