基于咪唑类子液体的液相法制备α-Fe2O3纳米材料

摘要

α-Fe2O3半导体材料，带隙宽度较窄，具有很强的可见光吸收能力，同时其化学性质稳定、含量丰富、环境友好，在能源、环境、电子学、光学、生物医学等领域内具有非常广阔的应用价值，一直以来都受到广泛关注和研究。由于纳米材料的形貌、尺寸和分散性会影响其物理和化学性质，因此，可控制备各种形貌的α-Fe2O3纳米粒子是一个主要的研究方向。离子液体是指室温下呈液态、完全由离子所组成的有机溶剂，自从发现之日就作为一种绿色溶剂而被寄予厚望，同时也为纳米材料的制备提供了新的契机。但是与传统制备体系相比，离子液体作为反应介质在无机纳米材料制备的研究还不够深入。在很多的研究工作中，离子液体仅仅是被当作简单的表面活性剂，而对于其作用机理仍然没有清晰的认识。本论文就α-Fe2O3纳米材料以咪唑类离子液体为助剂的水热条件下的液相合成进行了研究，对不同形貌的α-Fe2O3纳米材料的形成机理进行了有益探索，并探讨了所得α-Fe2O3纳米颗粒的储锂性能及光催化性能。全文主要分为以下三部分:
　　第一部分:简要介绍了纳米材料、α-Fe2O3的结构与性能，然后综述了各种形貌的纳米α-Fe2O3的主要合成方法及研究进展，之后对离子液体的特性、在无机纳米材料制备中的应用和功能做了详细介绍，最后介绍了α-Fe2O3纳米材料在储能、光催化领域的应用。
　　第二部分:研究了在长链咪唑类表面活性离子液体复配体系中用多元醇制备α-Fe2O3纳米结构。在水溶液中，以SDS/C12mimBr胶束为结构导向剂，用Fe2+作为铁源及乙二醇为添加剂来平衡Fe3+的水解与氧化，一步制备了二级结构为薄片的3D海胆状α-Fe2O3纳米结构。XRD和SAED结果显示分级结构是结晶质量良好的六角相α-Fe2O3。考察了SDS/C12mimBr的摩尔比，多元醇的种类及浓度、反应时间等条件对海胆状形貌的影响。通过对不同时间下所得样品的形貌分析，提出了分级海胆状颗粒的生长机理，主要包括三个阶段:Fe2+的氧化;FeOOH的形成;FeOOH脱水形成氧化铁及其表面的扩散及定向排列重结晶过程。在锂离子电池测试中，首次放电比容量为1696.4mA☉h☉g-1，并显示出良好的循环性能。光催化实验中，该分级海胆状α-Fe2O3纳米结构只用了40分钟就完成了降解。这些优良的性能都得益于其特殊的结构。
　　第三部分:首先设计合成了离子液体[Bmim][PhCOO]，然后将这种离子液体用于调控所得α-Fe2O3纳米材料的形貌及尺寸。仅仅通过改变离子液体在体系中的相对浓度的方式，实现了将3D枝状结构“裁剪”为2D片状，再到1D棒状结构的形貌演变。通过SEM、HRTEM和SAED的分析，确定了各种形貌的纳米结构的生长方向。并从分子水平上对离子液体的阴、阳离子在调控α-Fe2O3纳米材料时表现出来的不同作用进行了系统的研究，用不同头基的离子液体的对比实验明确了离子液体的作用机制:[PhCOO]-的水解加快成核速度，[Bmim]+的氢键作用、π-π堆积作用及空间位阻效应有利于晶体的各向异性生长。通过比较不同形貌的α-Fe2O3纳米颗粒对罗丹明B的光降解作用，发现所得α-Fe2O3纳米棒的光催化活性高于纳米片的，而枝状α-Fe2O3的光催化活性最低。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 α-Fe2O3纳米材料

1．2 α-Fe2O3纳米材料的研究现状

1．2．1 各种形貌的α-Fe2O3纳米材料

1．2．2 α-Fe2O3纳米材料的制备方法

1．3 离子液体在纳米材料合成中的作用

1．3．1 离子液前躯体

1．3．2 离子液体作用模型

1．4 α-Fe2O3纳米材料在锂离子电池及光催化中的应用

1．5 本论文的研究目的与设想

参考文献

第二章 长链离子液复配体系辅助制备分级α-Fe2O3纳米材料

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 试剂

2．2．2 实验仪器和方法

2．2．3 离子液体的合成与表征

2．2．4 分级α-Fe2O3纳米材料的制备和表征

2．2．5 电池测试

2．2．6 光催化实验

2．3 结果与讨论

2．3．1 三维分级α-Fe2O3结构

2．3．2 离子液体复配体系的影响

2．3．3 多元醇及其浓度的影响

2．3．4 反应时间的影响

2．3．5 机理解释

2．3．6 分级α-Fe2O3纳米结构应用为锂离子电池负极材料

2．3．7 分级α-Fe2O3纳米材料的光催化性能

2．4 结论

参考文献

第三章 α-Fe2O3纳米材料在[Bmim][PhCOO]中的可控合成

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 试剂

3．2．2 实验仪器和方法

3．2．3 离子液体的合成

3．2．4 α-Fe2O3纳米结构的控制合成

3．2．5 光催化实验

3．3 结果与讨论

3．3．1 结构表征

3．3．2 [Bmim][PhCOO]的作用

3．3．3 生长机理

3．3．4 不同形貌的α-Fe2O3产物的光催化性能研究

3．4 本章小结

参考文献

论文的创新点与不足

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文