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氧化铁与铁多级纳米结构粒子的可控合成研究

宋发辉

  多级纳米结构材料由于其结构独特而有可能孕育着奇异的物理化学性能,在光电子器件、药物输运、活性物质封装、离子嵌插、表面官能化、纳米反应器、催化剂载体及尺寸选择性反应等方面具有很大的应用潜力。其合成方法包括传统的模板法和新发展起来的一些基于Ostwald熟化、Kirkendall效应、定向聚集等机理的合成方法。为此,本论文着力通过软模板法、纳米粒子自组装、Ostwald熟化、定向聚集等过程来合成氧化铁和铁的多级纳米结构粒子,并对它们进行了结构表征和性质研究。 在分散剂CTAB的存在下,以FeSO4和尿素为原料用沉淀-氧化法合成了单晶α-Fe2O3星状阵列粒子。尿素用量、反应温度等因素对α-Fe2O3粒子的形貌结构有重要影响,其形成机理中包含了一个定向聚集和一个外延生长过程。典型条件下所得单晶α-Fe2O3星状阵列粒子表现出弱铁磁性,室温下其矫顽力和剩磁分别为156.08 Oe和0.569 emu/g。 以阳离子表面活性剂十六烷基三甲基溴化钱(CTAB)为软模板,分别以络合阴离子[FeF6]3-, [Fe(C2O4)3]3为铁源,合成了介孔β-FeOOH和α-Fe2O3粒子。氮气吸附/脱附分析表明介孔β-FeOOH和α-Fe2O3粒子均在3-4 nm和20 nm出现两个孔径分布峰值,比表面积分别为164.4和102.0 m2/g。 在高浓度Fe2+离子与过量NaBH4的快速还原反应制备铁的体系中,加入可作为有机碱和螫合剂的乙二胺(EDA),可对反应速率进行适当调节从而控制最终产物的形貌结构。通过该动力学控制过程,得到了由尺寸约9 nm的一次铁纳米粒子组装的介孔铁亚微米球(300-1000 nm)。所得典型样品具有较大的比表面积(11.4 m2·g-1)和超顺磁性,孔径约4.2 nm。由所测该样品的电磁参数模拟得到的微波反射损失曲线显示,其在11.84 GHz出现反射峰值-11.79 dB,反射损失小于-8 dB的频宽约7 GHz。在中性pH下,该样品作为超声-Fenton反应的铁试剂在60分钟内对罗丹明B (RhB)的降解率达77%。 用高浓度Fe2+离子、过量NaBH4及高浓度EDA的水溶液50℃下密闭反应制备了枝化纳米纤维空心铁微球。研究表明,由于EDA的强碱性和螫合作用,还原反应较慢而首先生成一次铁纳米粒子的紧密自组装微球。在反应后期存在一个络合剂辅助的Ostwald熟化过程,EDA通过它铁之间存在络合电离平衡,将铁从球心转移到表面,最终形成了枝化纳米纤维空心铁微球。在中性pH下,典型枝化纳米纤维空心铁微球作为超声-Fenton反应的铁试剂在60分钟内对罗丹明B (RhB)的降解率为55%。 以Fe2+离子和EDA形成的络离子[Fe(EDA)3]2+作铁源,在水-乙醇混合溶剂中与过量NaBH4进行还原反应。NaBH4除作还原剂外,其未溶固体表面还成为铁多相形核与组装的基底,在水洗除去NaBH4后得到铁微米半球。在高EDA/FeⅡ摩尔比和未溶NaBH4存在下,由于多相形核及EDA辅助的Ostwald熟化,形成了枝化纳米纤维阵列铁微米半球。在高EDA/FeⅡ摩尔比和NaBH4完全溶解的情况下,则形成枝化纳米纤维铁微米粒子。将这些样品作为铁试剂用于pH中性条件下的超声-Fenton反应,枝化纳米纤维阵列铁微米半球表现出最好的降解RhB活性,可在60分钟内降解82%的RhB。……   
[关键词]:氧化铁;;多级结构;合成;机理
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:武汉理工大学2010年
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