铁系元素多元金属氧化物纳米材料的制备与应用研究

摘要

纳米铁氧体磁性材料，因其自身特征尺寸在纳米数量级上，从而具有独特的物理化学性质，在电极材料、催化剂、磁流体、吸波材料、生物靶向材料、高密度磁记录材料等方面均有广泛的应用。
　　本文基于烟火技术的基本理论，以铁系元素的硝酸盐为氧化剂，以水溶性肼类燃料为还原剂，组成了自身氧化还原反应体系，在制备纳米材料的溶胶-凝胶方法基础上，结合低温自蔓延燃烧合成反应技术，研究出一种铁系元素多元技术纳米氧化物的凝胶低温自持燃烧合成方法。进而在此基础上进行了稀土元素掺杂和多元铁氧体的制备研究，制备出稀土掺杂的纳米铁氧体以及多元复合纳米铁氧体，并研究其催化高氯酸铵热分解的影响。此外，还采用低温燃烧合成法一步制备了纳米铁氧体与膨胀石墨复合材料，并对复合产物的毫米波衰减性能进行了研究。
　　(1)结合低温燃烧合成法与溶胶-凝胶法，以金属硝酸盐为氧化剂，水溶性肼类燃料为还原剂，添加络合剂和分散剂，制备出分散性良好且工艺快速简单的纳米铁氧体粉体。利用各种表征分析手段研究了不同燃料、络合剂用量、分散剂用量、煅烧温度对粉体粒径和形貌的影响。实验结果表明，在以水溶性肼为燃料，络合剂2g，分散剂2g，煅烧温度在800℃，煅烧时间为2h时，可获得粒径均匀的纳米铁氧体粉体。所制备出产物的粒径分布范围在40～80nm，产物结构膨松，分散性良好。在此基础上进行了稀土元素掺杂研究和多元铁氧体复合材料的研究，通过制备了不同稀土Ce掺杂量的纳米镍铁氧体，对产物进行了XRD、SEM等表征分析，结果表明其最大掺杂量为0.09，样品晶型均一且未出现杂质峰。同时还进行了其他稀土元素的掺杂实验，实验结果与Ce掺杂相似，在掺杂量为0.09时均未出现其他物质的XRD衍射峰，以此说明其元素进入到尖晶石的晶体结构当中。
　　(2)通过在前驱体溶液中添加适量的琼脂，以金属硝酸盐为氧化剂，水溶性肼类燃料为还原剂，制备出分散性十分良好的纳米铁氧体粉体。通过对燃料种类、琼脂用量等工艺条件的实验研究，得到较优的制备工艺条件，即在以制备1g目标产物的条件下，使用水溶性肼类燃料为还原剂，添加0.2g琼脂，不使用分散剂的条件下，制备出粒径分布在30-50nm的纳米NiFe2O4粉体，产物具备良好的分散性。添加适量的琼脂有利于纳米前驱体在反应过程中保持一定蓬松的结构，同时由于肼类燃料在燃烧过程放出的大量气体，减少燃烧过程中由于高温导致的粉体团聚现象，以便于简单高效的制备出大量的具有良好分散性纳米粉体。
　　(3)将制备出的稀土掺杂纳米铁氧体与高氯酸铵(AP)混合，通过差示扫描量热仪(DSC)研究了产物对AP热分解的催化作用。结果表明，随着Ce掺杂量的增加，产物使AP的高温分解峰温度逐渐降低，表观分解热增加。在Ce掺杂量为0.09时使AP高温分解峰温度降低57.8℃，表现出较强的催化AP热分解性能。利用kissinger法、Friedman法、Ozawa法对其催化AP热分解过程的动力学参数进行计算分析，并研究了其促进AP热分解的催化机理。
　　(4)采用低温燃烧合成法一步制备了纳米铁氧体包覆膨胀石墨(EG)的复合材料。通过各种表征分析测试手段研究表明，制备的纳米铁氧体均匀牢固的包覆在膨胀石墨表面，并且具有良好的晶体结构。通过毫米波衰减测试系统对不同配比的复合产物进行3mm与8mm波衰减测试，结果表明相对于膨胀石墨而言，铁氧体包覆EG复合材料具有更为优异的毫米波衰减性能，同时通过研究多种元素的组合配比可以进一步提高复合材料的毫米波衰减性能。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 铁系元素金属氧化物简介

1．1．1 尖晶石型铁氧体的晶体结构

1．1．2 纳米材料的特性

1．1．3 纳米铁氧体的磁学性质

1．2 纳米铁氧体的制备方法

1．2．1 化学共沉淀法

1．2．2 溶胶-凝胶法

1．2．3 燃烧合成法

1．2．4 水热合成法

1．2．5 微乳液法

1．2．6 溶剂蒸发法

1．2．7 固相反应法

1．2．8 气相法

1．3 纳米铁氧体的应用

1．3．1 吸波材料

1．3．2 催化材料

1．3．3 磁流体

1．3．4 传感材料

1．3．5 生物医学

1．3．6 磁记录材料

1．3．7 颜料及陶瓷材料

1．4 稀土元素掺杂纳米铁氧体的研究

1．5 纳米铁氧体对催化高氯酸铵热分解的研究

1．6 纳米铁氧体的毫米波衰减性能的研究

1．7 本文的研究目的及内容

1．7．1 本文的研究目的

1．7．2 本文的研究内容

2 低温燃烧合成法制备纳米铁氧体的工艺研究

2．1 引言

2．2 低温燃烧合成法

2．2．1 低温燃烧合成法的基本原理

2．2．2 低温燃烧合成法的分类

2．2．3 以硝酸盐-有机燃料为反应物的燃烧合成

2．2．4 低温燃烧合成法的工艺影响因素

2．2．5 低温燃烧合成法的优缺点

2．3 实验部分

2．3．1 试剂与仪器

2．3．2 低温燃烧合成法制备纳米NiFe2O4粉体

2．3．3 样品表征

2．4 结果与讨论

2．4．1 不同燃料的影响

2．4．2 络合剂用量的影响

2．4．3 分散剂用量的影响

2．4．4 煅烧温度的影响

2．4．5 产物的TEM、SEM表征

2．5 本章小结

3 溶胶燃烧合成法制备纳米铁氧体

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 试剂与仪器

3．2．2 溶胶燃烧合成法制备纳米NiFe2O4粉体

3．2．3 样品表征

3．3 结果与讨论

3．3．1 不同燃料对产物的影响

3．3．2 琼脂用量对产物的影响

3．3．3 分散剂的使用对产物的影响

3．3．4 产物的红外分析

3．3．5 产物的TEM和FE-SEM表征

3．4 本章小结

4 稀土掺杂纳米铁氧体的制备

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 试剂与仪器

4．2．2 低温燃烧合成法制备Ce掺杂纳米NiFe2O4粉体

4．2．3 样品表征

4．3 结果与讨论

4．3．1 样品的XRD分析

4．3．2 样品的TEM表征

4．3．3 样品的FE-SEM表征

4．3．4 钕、钇掺杂镍铁氧体的制备

4．3．5 稀土掺杂钴铁氧体的制备

4．4 本章小结

5 稀土掺杂铁氧体对高氯酸铵热分解催化作用的研究

5．1 引言

5．1．1 高氯酸铵的物理化学性质

5．1．2 高氯酸铵的热分解机理

5．2 实验部分

5．2．1 试剂与仪器

5．2．2 实验操作

5．3 结果与讨论

5．3．1 不同用量的纳米铁氧体催化剂对AP热分解的影响

5．3．2 不同稀土掺杂量的纳米铁氧体对AP热分解的影响

5．3．3 稀土掺杂纳米铁氧体对AP热分解催化机理分析

5．4 稀土掺杂纳米铁氧体催化AP热分解的热分析动力学研究

5．4．1 Kissinger法求解反应活化能

5．4．2 Friedman法求解反应活化能

5．4．3 Owaza法求解反应活化能

5．5 本章小结

6 纳米铁氧体包覆膨胀石墨的制备研究

6．1 引言

6．2 实验部分

6．2．1 试剂与仪器

6．2．2 可膨胀石墨的制备

6．2．3 镍铁氧体包覆膨胀石墨复合材料的制备

6．2．4 样品表征

6．3 结果与讨论

6．3．1 复合产物的XRD表征分析

6．3．2 不同还原剂对复合产物的影响

6．3．3 不同NiFe2O4／GIC质量比对复合产物的影响

6．3．4 分散剂对复合产物的影响

6．3．5 NiFe2O4／EG复合产物的TEM表征分析

6．3．5 NiFe2O4／EG复合产物的EDX表征分析

6．3．6 NiFe2O4／EG复合产物的红外光谱和拉曼光谱表征分析

6．4 本章小结

7 纳米铁氧体包覆膨胀石墨的毫米波衰减性能研究

7．1 引言

7．2 电磁波衰减理论

7．2．1 吸收衰减机理

7．2．2 散射衰减机理

7．3 电磁波衰减材料设计原理

7．4 膨胀石墨的衰减机理

7．4．1 膨胀石墨的散射衰减

7．4．2 膨胀石墨的吸收衰减

7．5 纳米铁氧体吸波材料的衰减机理

7．6 实验部分

7．6．1 实验仪器和试剂

7．6．2 测试原理及过程

7．7 结果与讨论

7．7．1 不同NiFe2O4／GIC质量比复合材料的毫米波衰减性能研究

7．7．2 ZnFe2O4／EG与CoFe2O4／EG复合材料的毫米波衰减性能研究

7．7．3 Ce掺杂NiFe2O4纳米铁氧体与EG复合材料的毫米波衰减性能研究

7．7．4 多元纳米铁氧体与EG复合材料的毫米波衰减性能研究

7．8 本章小结

8 全文结论及展望

8．1 全文结论

8．2 创新点

8．3 展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文和出版著作情况