纳米CeO₂作为一种重要的稀土氧化物纳米材料，以其氧化还原性能、储氧能力和表面酸性在催化、光电、生物医药等领域展现出应用前景。然而，纳米CeO₂由于其特殊的表面性质，往往表现出较低的稳定性和易于团聚的特点，这限制了其在实际应用中的性能。因此，对纳米CeO₂进行表面修饰，改善其表面性质，成为提高其应用性能的关键。

纳米CeO₂的表面修饰方法

（一）金属掺杂

原理：金属掺杂是通过在纳米CeO₂的晶格中引入金属离子（如Ti⁴⁺、Zr⁴⁺、La³⁺等），改变其晶体结构和表面性质。金属离子的引入可以调节纳米CeO₂的氧化还原性能、表面电荷分布和催化活性。

方法

共沉淀法：将含有铈离子和金属离子的溶液混合，在合适的反应条件下（如温度、pH值等），使铈离子和金属离子共同沉淀，生成掺杂的CeO₂前驱体，随后通过煅烧得到掺杂的纳米CeO₂。

浸渍法：将纳米CeO₂浸入含有金属离子的溶液中，通过吸附和离子交换作用，使金属离子进入CeO₂的晶格中，随后通过煅烧固定掺杂的金属离子。

对性能的影响

晶体结构：金属掺杂可以引入晶格缺陷，改变纳米CeO₂的晶体结构。例如，Ti⁴⁺掺杂可以引入氧空位，增加CeO₂的比表面积。

氧化还原性能：金属掺杂可以调节纳米CeO₂的氧化还原性能。例如，La³⁺掺杂可以提高CeO₂的氧存储能力，增强其在催化反应中的氧化还原性能。

催化活性：金属掺杂可以提高纳米CeO₂的催化活性。例如，Zr⁴⁺掺杂可以提高CeO₂在CO氧化反应中的活性，降低反应温度。

（二）非金属掺杂

原理：非金属掺杂是通过在纳米CeO₂的晶格中引入非金属元素（如C、N、S等），改变其表面化学性质和电子结构。非金属元素的引入可以调节纳米CeO₂的表面电荷分布、亲水性和光学性质。

方法

化学还原法：将含有铈离子的溶液与非金属元素的前驱体（如尿素、硫代硫酸钠等）混合，在合适的反应条件下，通过化学还原反应引入非金属元素。

水热法：将含有铈离子和非金属元素前驱体的混合溶液置于水热反应釜中，在高温高压条件下进行反应，生成掺杂的纳米CeO₂。

对性能的影响

表面化学性质：非金属掺杂可以改变纳米CeO₂的表面电荷分布和亲水性。例如，N掺杂可以提高CeO₂的表面亲水性，增强其在水相反应中的性能。

光学性质：非金属掺杂可以调节纳米CeO₂的光学性质。例如，S掺杂可以引入新的能级，拓宽CeO₂的光吸收范围，提高其在光催化反应中的性能。

催化活性：非金属掺杂可以提高纳米CeO₂的催化活性。例如，C掺杂可以提高CeO₂在选择性催化还原（SCR）反应中的活性，降低反应温度。

（三）表面包覆

原理：表面包覆是通过在纳米CeO₂表面覆盖一层其他材料（如金属氧化物、聚合物等），改变其表面性质和物理结构。表面包覆可以调节纳米CeO₂的表面活性位点、热稳定性。

方法

溶胶-凝胶法：将纳米CeO₂分散在含有包覆材料前驱体（如铝溶胶、硅溶胶等）的溶液中，通过溶胶-凝胶反应在纳米CeO₂表面形成包覆层，随后通过煅烧固定包覆层。

化学气相沉积法（CVD）：将纳米CeO₂置于反应器中，在高温条件下，通过化学气相沉积反应在纳米CeO₂表面形成包覆层。

对性能的影响

表面活性位点：表面包覆可以调节纳米CeO₂的表面活性位点。例如，Al₂O₃包覆可以增加CeO₂的表面活性位点，提高其在催化反应中的活性。

热稳定性：表面包覆可以提高纳米CeO₂的热稳定性。例如，SiO₂包覆可以防止CeO₂在高温条件下的烧结，提高其热稳定性。

（四）有机分子修饰

原理：有机分子修饰是通过在纳米CeO₂表面吸附或键合有机分子（如表面活性剂、聚合物等），改变其表面性质和分散性。有机分子修饰可以调节纳米CeO₂的表面电荷分布、亲水性和分散性。

方法

吸附法：将纳米CeO₂分散在含有有机分子的溶液中，通过吸附作用在纳米CeO₂表面形成有机分子层。

化学键合法：将纳米CeO₂与有机分子通过化学键合反应连接，形成稳定的有机-无机复合材料。

对性能的影响

表面电荷分布：有机分子修饰可以改变纳米CeO₂的表面电荷分布。例如，表面活性剂修饰可以增加CeO₂的表面电荷，提高其在水相中的分散性。

亲水性：有机分子修饰可以调节纳米CeO₂的亲水性。例如，聚合物修饰可以提高CeO₂的亲水性，增强其在生物医学应用中的性能。

分散性：有机分子修饰可以提高纳米CeO₂的分散性。例如，通过吸附或键合有机分子，可以防止纳米CeO₂在溶液中的团聚，提高其分散性。

表面修饰对纳米CeO₂材料性能的影响

催化性能

表面修饰可以提高纳米CeO₂的催化性能。通过引入特定的催化活性物种或改变其表面电子结构，可以增强纳米CeO₂在催化反应中的活性和选择性。例如，石墨烯量子点修饰的纳米CeO₂在CO氧化、甲烷催化裂解等反应中表现出优良的催化性能。

光电性能

表面修饰还可以调控纳米CeO₂的光电性能。通过引入特定的功能基团或掺杂杂原子，可以调节纳米CeO₂的能带结构，提高其光电转换效率。例如，在纳米CeO₂表面沉积一层具有光电活性的物质，如CdS、ZnO等，可以制备出具有高效光电转换性能的复合材料。

生物相容性

在生物医药领域，表面修饰可以优化纳米CeO₂的生物相容性。通过在其表面修饰上生物相容性高的分子或聚合物，可以减少其对生物体的Poison 性和副作用，提高其在生物体内的稳定性和可控性。例如，使用PEG等生物相容性好的高分子材料修饰纳米CeO₂，可以提高其作为药物载体的性能。