NASICON构型磷酸锆盐晶体的水热合成及其交换组装性能研究

论文摘要

NASICON（Na超离子导体/Sodium super Ionic Conductor）构型的磷酸锆盐是一类具有很好的化学稳定性、热稳定性和耐辐射性,而且和元素周期表中三分之二的金属元素都可以形成稳定结构的化合物。得益于其结构的特殊性,这一类材料具有良好的离子导电、低热膨胀和离子交换等性能,是抗菌剂、催化剂和固定核废料放射性同位素等极好的载体。针对现有的NASICON构型的磷酸锆盐的制备方法存在工序复杂、反应温度过高、反应时间过长或产物晶相不纯等缺点,本论文通过添加矿化剂乙二酸的方法,分别以ZrOCl2和H3PO4或NaH2PO4/NH4H2PO4为Zr源和P源,在温和条件下水热合成了高纯的NASICON构型的锆磷酸盐粉体,并对水热合成的反应过程进行了讨论。结果表明,适量的矿化剂添加量可以降低水热合成的温度和减少水热时间。一些研究都报道了NASICON构型的磷酸锆盐在抗菌和催化等方面的应用,但缺乏为这些应用提供依据的基本数据。本论文研究了作为抗菌剂的Ag+与NASICON构型的磷酸锆盐的交换组装行为、温度固定行为和在不同溶液中的Ag+洗脱析出行为。结果表明NASICON构型的锆磷酸盐是良好的Ag+交换材料,载银的此类材料具有好的温度固定和控制析出性能。此外,本论文提出了在高压釜200℃水热条件下应用NASICON构型的磷酸锆盐处理核废料Sr等放射性同位素的新方法,可以避免传统方法必须经高温处理带来的载体相变等不利因素。结果表明,这种方法在一定程度上可以完全交换溶液中的Sr2+,并且交换后的产物具有良好的控制析出性能。具有特殊结构的薄膜材料具有独特功能,本论文中通过不同的条件在Zr表面水热制备出不同拓扑形态的磷酸锆盐薄膜。初步实验表明,具有层状团簇结构的磷酸锆盐薄膜具有良好的与Ag+的交换组装性能,此类组装薄膜具有明显的光电效应。

论文目录

• 第1章 引言
• 1.1 选题背景及其意义
• 1.2 离子交换理论
• 1.2.1 离子交换的理论（学说）
• 1.2.2 离子交换平衡
• 1.2.3 影响离子交换能力的因素
• 1.2.4 离子交换动力学
• 1.3 无机离子交换剂的分类
• 1.3.1 硅铝酸盐
• 1.3.2 不溶性多价金属酸式盐
• 1.3.3 不溶性多价金属水合氧化物
• 1.3.4 不溶性亚铁氰化物
• 1.3.5 杂多酸盐及复合无机离子交换剂
• 1.3.6 其他类型的无机离子交换剂
• 1.4 磷酸盐无机离子交换剂的种类与结构
• 1.4.1 无定形磷酸盐
• 1.4.2 结晶性层状结构磷酸盐
• 1.4.3 纤维状磷酸盐
• 1.4.4 NASICON 构型的磷酸锆盐
• 1.4.5 镶嵌层状锆磷酸盐离子交换剂
• 1.4.6 磷酸锆盐离子交换剂的离子交换机理
• 1.5 NASICON 构型的材料的制备方法
• 1.5.1 回流法
• 1.5.2 Sol-gel 法
• 1.5.3 固相法反应法
• 1.5.4 水热反应法
• 1.5.5 其它制备方法
• 1.6 NASICON 构型的磷酸盐交换剂国内外研究动态及其应用
• 1.6.1 国内外研究动态
• 1.6.2 放射性废液的处理和处置
• 1.6.3 同位素和元素的分离
• 1.6.4 用作催化剂和抗菌剂
• 1.6.5 其它领域的应用
• 第2章 实验内容和研究方法
• 2.1 主要的研究内容和方法
• 2.1.1 粉体材料制备
• 2.1.2 粉体材料表征
• 2.1.3 粉体材料的离子交换、固定和洗脱析出实验
• 2.1.4 薄膜材料的制备和表征
• 2.2 分析表征
• 第3章 NASICON 构型磷酸锆盐的水热合成及结构分析
• 3.1 本章引论
• 3.2 磷酸锆盐水热合成的实验方法
• 3PO₄ 为P 源的实验条件对水热产物的影响'>3.3 以H₃PO₄ 为P 源的实验条件对水热产物的影响
• 4Zr₂（PO₄）₃ 水热合成条件影响'>3.3.1 NH₄Zr₂（PO₄）₃水热合成条件影响
• 3.3.1.1 矿化剂用量x 的影响
• 3.3.1.2 pH 的影响
• 3.3.1.3 水热温度的影响
• 3.3.1.4 水热时间的影响
• 3PO₄ 为P 源水热合成NaZr₂（PO₄）₃'>3.3.2 以H₃PO₄ 为P 源水热合成NaZr₂（PO₄）₃
• 3.3.2.1 正交试样X 射线衍射谱分析
• 3.3.2.2 正交试样扫描电子显微形貌分析
• 3.3.2.3 正交实验因素的水平变化分析
• 3PO₄ 为P 源水热合成NaZr₂（PO₄）₃/NH₄Zr₂（PPO₄）₃'>3.3.3 以H₃PO₄ 为P 源水热合成NaZr₂（PO₄）₃/NH₄Zr₂（PPO₄）₃
• 2PO₄/NH₄H₂PO₄ 为P 源的水热合成'>3.4 以NaH₂PO₄/NH₄H₂PO₄ 为P 源的水热合成
• 4Zr₂（PO₄）₃的IR分析'>3.4.1 不同水热时间下NH₄Zr₂（PO₄）₃的IR分析
• 3.4.2 不同水热时间下产物的X 射线衍射谱分析
• 3.4.3 不同水热时间下产物扫描电子显微形貌分析
• 3.4.4 水热合成机理的探讨
• 3.5 热分析
• 4Zr₂（PO₄）₃ 的热分析'>3.5.1 NH₄Zr₂（PO₄）₃的热分析
• 2（PO₄）₃ 的热分析'>3.5.2 NaZr₂（PO₄）₃的热分析
• 3.6 结构分析
• 4Zr₂（PO₄）₃ 的结构分析'>3.6.1 NH₄Zr₂（PO₄）₃的结构分析
• 2（PO₄）₃ 的结构分析'>3.6.2 HZr₂（PO₄）₃的结构分析
• 2（PO₄）₃ 的结构分析'>3.6.3 NaZr₂（PO₄）₃的结构分析
• 4Zr₂（PO₄）₃ 的TEM 分析'>3.6.4 NH₄Zr₂（PO₄）₃ 的TEM 分析
• 3.7 本章小结
• 第4章 NASICON 构型磷酸锆盐晶体的交换组装性能
• 4.1 本章引论
• 4.2 离子交换实验方法
• 2+、Zn²⁺、Ce³⁺和K⁺交换组装'>4.3 与Cu²⁺、Zn²⁺、Ce³⁺和K⁺交换组装
• 2（PO₄）₃ 交换曲线'>4.3.1 NaZr₂（PO₄）₃交换曲线
• 2（PO₄）₃ 交换曲线'>4.3.2 HZr₂（PO₄）₃交换曲线
• 2+和Cs⁺的交换组装'>4.4 与Sr²⁺和Cs⁺的交换组装
• 2+和Cs⁺的交换性能'>4.4.1 与Sr²⁺和Cs⁺的交换性能
• 2+交换产物的温度处理固定'>4.4.2 Sr²⁺交换产物的温度处理固定
• 2+洗脱析出性能'>4.4.3 Sr²⁺洗脱析出性能
• +的交换组装'>4.5 与Ag⁺的交换组装
• +的交换性能'>4.5.1 与Ag⁺的交换性能
• +的温度固定和洗脱析出性能'>4.5.2 Ag⁺的温度固定和洗脱析出性能
• 4.6 本章小结
• 第5章 磷酸锆盐薄膜的原位水热转化合成及其初步表征
• 5.1 本章引论
• 5.2 实验样品制备
• 5.3 结果与分析
• 5.3.1 磷酸锆盐薄膜XRD 分析
• 5.3.2 磷酸锆盐薄膜的SEM 分析
• 5.3.3 离子交换组装
• 5.3.4 层状磷酸锆盐膜的光电性能
• 5.4 本章小结
• 第6章 全文结论
• 参考文献
• 致谢
• 声明
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果