水溶性氧化铁纳米粒子及TiO2/Fe3O4复合粒子的制备及其吸附性能研究

摘要

水溶性Fe3O4纳米粒子在很多领域具有广泛应用。因此，合成尺寸和形貌可控的Fe3O4纳米粒子及其复合物已成为磁性纳米材料研究领域的热点。制备Fe3O4纳米粒子的主要方法有共沉淀法、微乳液法、水热法（或溶剂热法）、热分解法、溶胶-凝胶法等等。虽然人们研究和开发了不少合成Fe3O4纳米粒子的方法，但还不能满足新的需求。尤其是应用于生物医学领域的Fe3O4纳米粒子需要比较苛刻的特性，包括低毒性、良好的磁性、颗粒大小分布均匀、表面容易被修饰、良好的溶解性能等。
　　本论文采用尿素铁配合物作为前驱体、二缩三乙二醇(TEG)为溶剂，通过控制反应条件，制备了水溶性Fe3O4纳米粒子。进一步以自制的Fe3O4纳米粒子为基础，分别制备了水溶性γ-Fe2O3纳米粒子和介孔TiO2/Fe3O4复合粒子，并进行了表征及吸附性能的研究，得到了很好的结果。
　　首先采用高温热分解法制备了水溶性介孔Fe3O4纳米粒子，并使用X射线衍射(XRD)、磁性测定(VSM)、N2吸附-脱附(BET法)、红外光谱(IR)、透射电镜(TEM)、X光光电子能谱(XPS)等手段对其进行了表征。结果显示，所制备Fe3O4粒子具有介孔结构，并且能够溶解在水和乙醇等溶剂中。随着回流时间和温度的增加，水溶性Fe3O4纳米粒子磁性增大，比表面积减小。当回流时间为2～20h时，其最大饱和磁化强度为48.5emu/g，最大比表面积为139m2/g，对水中Cr(Ⅵ)的最大饱和吸附量为21.6mg/g。
　　其次研究了水溶性Fe3O4纳米粒子的相变过程，并成功地制备了水溶性γ-Fe2O3纳米粒子。XRD测试结果表明，Fe3O4到γ-Fe2O3转化是一个缓慢的过程，在室温条件下就可以发生;在高温(350℃)下，γ-Fe2O3转化为α-Fe2O3。BET和VSM测试结果显示，随着热处理温度的升高其比表面积减小。制备的水溶性γ-Fe2O3纳米粒子具有介孔结构，其最大饱和磁化强度为23.6emu/g，比表面积为102m2/g。
　　以钛酸丁酯为钛源，以自制的水溶性介孔Fe3O4粒子为磁核，采用溶胶-凝胶-溶剂热法制备了复合介孔TiO2/Fe3O4纳米粒子，并研究了复合粒子对Cr(Ⅵ)的吸附性能。所制备TiO2/Fe3O4纳米粒子的最大饱和磁化强度(Ms)为22.1emu/g，比表面积为374m2/g，平均孔径为3.8nm，对溶液中Cr(Ⅵ)离子的最大饱和吸附量达29.5mg/g。

目录

声明

摘要

1 前言

1．1 研究背景

1．2 纳米材料

1．2．1 纳米材料的特性

1．3 纳米磁性材料

1．3．1 纳米磁性材料的分类

1．3．2 磁性液体材料

1．3．3 磁性液体的主要应用

1．3．4 水溶性Fe3O4纳米粒子的制备研究现状

1．4 纳米复合材料

1．4．1 纳米复合磁性材料

1．5 纳米吸附材料

1．5．1 吸附作用

1．5．2 吸附剂

1．5．3 吸附法处理含重金属离子废水的进展

1．5．4 纳米磁性吸附材料的研究现状

1．6 论文的主要研究内容及意义

2 水溶性Fe3O4纳米粒子的制备

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 主要试剂与仪器

2．2．2 表征技术

2．2．3 样品的制备

2．3 结果与讨论

2．3．1 样品的XRD图谱

2．3．2 样品的磁性分析

2．3．3 样品的N2吸附-脱附曲线及孔径分布

2．3．4 样品的红外光谱分析

2．3．5 样品的XPS图谱分析

2．3．6 样品的差热-热重分析

2．3．7 样品的TEM图

2．3．8 样品的水溶性

2．4 本章小结

3 Fe3O4纳米粒子对Cr(Ⅵ)离子吸附性能的研究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 Cr(Ⅵ)离子的显色及测定原理

3．2．2 实验试剂与仪器

3．2．3 介孔Fe3O4纳米粒子对Cr(Ⅵ)离子的吸附性能测试

3．3 结果与讨论

3．3．1 Cr(Ⅵ)标准曲线的绘制

3．3．2 pH值对吸附的影响

3．3．3 吸附速率

3．3．4 Cr(Ⅵ)初始浓度对吸附的影响

3．4 本章小结

4 水溶性γ-Fe2O3的制备及其性能

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 Fe2+离子的检验

4．2．2 实验试剂与仪器

4．2．3 样品的制备

4．3 结果与讨论

4．3．1 焙烧法制备样品

4．3．2 原位空气氧化法制备样品

4．4 本章小结

5 TiO2／Fe3O4复合粒子的制备及其性能研究

5．1 引言

5．2 实验部分

5．2．1 实验试剂与仪器

5．2．2 样品的制备

5．2．3 TiO2／Fe3O4复合粒子对Cr(Ⅵ)的吸附

5．3 结果与讨论

5．3．1 样品的XRD

5．3．2 样品的磁学性能

5．3．3 样品的N2吸附-脱附曲线及孔径分布

5．3．4 pH对吸附的影响

5．3．5 吸附速率曲线

5．3．6 Cr(Ⅵ)初始浓度对吸附的影响

5．4 本章小结

6 结论

参考文献

硕士研究生期间发表论文

致谢