基于碳纳米管稀土氧化物纳米复合材料的电化学可控合成及其光学、催化性能研究

纳米稀土氧化物/碳纳米管复合材料可表现出优异的光学、催化等性能，有望在许多领域得到广泛应用, 如场发射显示器件、纳米电子器件、催化材料等。本项目在前期研究工作基础上，利用已建立的纳米稀土氧化物电化学合成方法，将纳米结构的稀土氧化物包覆碳纳米管，制备出具有管状结构的纳米稀土氧化物/碳纳米管新型复合材料。兼具量子尺寸效应和特殊形态效应，纳米稀土氧化物可大大增强碳纳米管各方面性能。探索稀土离子在碳纳米管上形成氧化物的电极过程、形成机理、纳米结构生长机制以及复合材料的光学和催化特性。探讨电极电位、电流密度、添加剂以及温度等对沉积物形态、组成和结构的影响规律。重点研究稀土氧化物的形态、组成、结构与复合材料的光学及催化性能的关系，最终实现具有管状结构和良好光学及催化性能的纳米稀土氧化物/碳纳米管复合材料的电化学合成及其性能的人工调控。同时稀土是我国的丰产稀有资源，因此开展此课题研究具有重要的现实意义。

在项目执行期的三年里，本课题研究进展顺利，较好地完成了预期研究计划，研究成果主要体现在以下三个方面：.(1) 在水溶液体系中电化学方法制备稀土离子掺杂稀土氧化物纳米带、过渡金属离子掺杂稀土氧化物纳米球等方面已取得了重要进展。揭示了碳纳米管及导电基体上稀土离子还原的电极过程、电化学沉积的伏安行为，铁族离子与稀土氧化物共沉积机理及其非晶、纳米晶生长机制，详细研究了掺杂稀土氧化物形态和结构对其光学及磁学性质的影响规律。所取得的相关成果已发表在J. Phys. Chem. C, ChemPhysChem等国际知名学术刊物上。 .(2) 通过电化学方法合成了ZnO-过渡金属氧化物如ZnO@MnO2、ZnO@MoO3等核-壳纳米棒阵列，并能很好地实现核-壳纳米棒的结构调控，初步实现了它们在超级电容器中的应用。通过电沉积技术，在Co3O4/Ni(OH)2复合介孔纳米片网络及PbO2超大枝状纳米网络的制备方面也取得了重要进展。相关成果已发表在Energy Environ. Sci., Chem. Commun., J. Mater. Chem.等国际知名学术刊物上。.(3) 为了拓展复合物纳米管阵列的合成，我们在单壁、双壁、三壁复合纳米管阵列的设计及电化学可控合成方面取得了系列重要进展，详细研究了导电聚合物纳米管、PtNiP复合物纳米管、Pt/Ni双壁纳米管、MnO2/Mn/MnO2、Pd/PANI/Pd、PtPd/PPy/PtPd等三壁纳米管阵列的生长机制，实现了不同纳米管阵列结构的有效调控，探讨了上述纳米管阵列结构对它们电化学性质的影响规律。所取得的相关成果已发表在J. Am. Chem. Soc., Nano Lett., NPG Asia Mater., Chem.-Eur. J.等国际重要学术期刊上。.在本项目执行期内，我们已在J. Am. Chem. Soc., Nano Lett., NPG Asia Mater., Energy Environ. Sci., Chem. Commun., J. Mater. Chem., Chem.-Eur. J., J. Phys. Chem. C等著名学术刊物上已发表SCI论文共19篇。上述研究成果对促进稀土氧化物功能材料、复合纳米管阵列以及核-壳纳米棒阵列的制备理论和工艺进步以及发展光学、电催化及电化学储能材料具有重要的作用。