鐵的氧化物和羥基氧化物納米材料的合成、表征及性能研究.pdf

1、鐵的氧化物(Fe<,x>O<,y>)和羥基氧化物(FeOOH),包括α-Fe<,2>O<,3>、Fe<,2>O<,3>和α-FeOOH等都是屬于氧化物系統(tǒng)的磁性材料.隨著尺寸的減小和形貌的變化,其納米結(jié)構(gòu)由于小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng),導(dǎo)致多種電磁特性或物理特性發(fā)生變化,從而在顏料、催化劑、磁記錄介質(zhì)、磁性涂料、氣體傳感器以及在環(huán)境保護(hù)過(guò)程中的氣體脫硫、廢水處理等工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域表現(xiàn)出比塊材更加優(yōu)異的性能.此外,F

2、e<,x>O<,y>、FeOOH納米結(jié)構(gòu)在其他尖端的領(lǐng)域如臨床診斷、醫(yī)藥傳輸、磁流體等方面的應(yīng)用前景也受到人們的矚目.因此,關(guān)于不同形貌和尺寸的Fe<,x>O<,y>、FeOOH納米結(jié)構(gòu)的合成、表征和性能研究具有重要意義. 本論文采用水熱/溶劑熱法來(lái)合成鐵的氧化物(Fexoy)和羥基氧化物(FeOOH)納米材料.以Fe(NO<,3>)<,3>·9H<,2>O和KoH(礦化劑)為反應(yīng)物料,從溶劑、表面修飾劑、反應(yīng)溫度、礦化劑濃度、

3、反應(yīng)時(shí)間等因素出發(fā)研究了制備工藝對(duì)Fe<,x>O<,y>、FeOOH納米結(jié)構(gòu)形成和特性的影響規(guī)律及作用機(jī)理.論文研究的主要內(nèi)容和結(jié)果如下: 1.以Fe(NO<,3>)<,3>·9H<,2>O和KOH為反應(yīng)物料,以乙醇為溶劑,聚乙烯醇(PVA)作為穩(wěn)定劑,溶劑熱法合成了直徑為20～100nm的ct-Fe<,2>O<,3>納米顆粒,它們的粒徑分布較均勻、分散性好、結(jié)晶性較好.研究表明,適量的高分子修飾可以改善納米晶粒的分散性和尺寸分

4、布的均勻性,PVA結(jié)構(gòu)中的大量自由的強(qiáng)極性羥基基團(tuán)可以與金屬離子之間形成螯合鍵,緊密包覆在金屬離子周?chē)?形成一個(gè)有PVA鏈限制形狀的有限結(jié)構(gòu),使得合成的納米粒子大小被限制,不易形成團(tuán)聚,具有較好的穩(wěn)定效果. 2.利用溶劑熱方法,采用F(NO<,3>)<,3>·9H<,2>O和KOH為反應(yīng)物料,乙二醇為溶劑,在220℃下反應(yīng)24小時(shí),合成了大量尺寸均一的Fe<,3>O<,4>納米顆粒,其直徑約為16nm,結(jié)晶性較好.研究了溫度和礦

5、化劑濃度對(duì)產(chǎn)物形貌的影響.結(jié)果表明,通過(guò)對(duì)溫度和礦化劑濃度的調(diào)節(jié),可以獲得粒徑可控、均勻的立方相Fe<,3>O<,4>納米粒子.利用該方法制備Fe<,3>O<,4>納米粒子,方法簡(jiǎn)單,產(chǎn)量大,而且制備的晶體具有明顯的小尺寸效應(yīng). 3.以F(NO<,3>)<,3>·9H<,2>O和KOH為反應(yīng)物料,乙二醇為溶劑,引入適量PEG作為表面修飾劑,利用溶劑熱方法制備納米材料時(shí)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)物形貌中出現(xiàn)了一定量直徑約為5rim,長(zhǎng)約為30～50n

6、m的Fe<,3>O<,4>納米針.研究了PEG的添加量對(duì)形成Fe<,3>O<,4>納米針的影響,并且探討了PEG促進(jìn)納米針生長(zhǎng)的機(jī)理. 4.利用水熱法,以Fe(NO<,3>)<,3>·9H<,2>O和KOH反應(yīng)物料,在100℃下反應(yīng)6小時(shí),合成了大量具有較大長(zhǎng)徑比的α-FeOOH納米線,其直徑在80nm,長(zhǎng)度為1.5～2μm,單根納米線為結(jié)晶良好的正交相針鐵礦結(jié)構(gòu)α-FeOOH,并且納米線沿針鐵礦結(jié)構(gòu)α-FeOOH的[001]軸

7、方向取向生長(zhǎng).研究了反應(yīng)溫度、礦化劑濃度和反應(yīng)時(shí)間對(duì)產(chǎn)物形貌的影響.結(jié)果表明:當(dāng)溫度低于一定值(40℃)時(shí),無(wú)論是在低濃度礦化劑的條件下還是在高濃度礦化劑的條件下都得不到α-FeOOH,產(chǎn)物為無(wú)定形相;在100℃時(shí),隨著礦化劑濃度的升高,將越來(lái)越不利于α-FeOOH納米線的合成;在高溫(200℃)下,α-FeOOH會(huì)在極短時(shí)間內(nèi)生成,并且隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而迅速相轉(zhuǎn)變?yōu)棣?Fe<,2>O<,3>. 5.以本文合成的α-FeOOH納米

8、線為原料,在不同溫度下對(duì)其進(jìn)行熱處理,保溫0.5小時(shí).結(jié)果表明:不同溫度下,α-FeOOH在熱處理過(guò)程中呈現(xiàn)了相同的相變途徑,即脫水形成α-Fe<,2>O<,3>,相變溫度為240～295.1℃且不同溫度熱處理后得到的α-Fe<,2>O<,3>保持了α-FeOOH原來(lái)的納米線狀,線表面有孔洞.高氯酸銨(AP)的催化性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:不同溫度下熱處理得到的α-Fe<,2>O<,3>納米線均使AP的高溫分解溫度顯著下降,其中熱處理溫度為35