磁性Fe2MO4纳米粉体合成技术研究

摘要

磁性材料广泛应用于生物医学、污水治理、新能源以及交通等领域，开发具有高磁性的磁性材料具有非常重要的意义。本文采用基于第一性原理的量子化学计算软件Gaussian09，对亚铁离子与柠檬酸配合物的体系能量、结构和键长进行计算，探索了亚铁离子与柠檬酸在溶液中的配位构型。并采用量子化学计算软件Materials Studio，对过渡元素M（M=Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn）替代面心立方结构四氧化三铁中A位Fe原子后的结构进行了几何优化，计算了分子磁矩和态密度，并预测Mn元素掺杂Fe3O4将会提高材料的磁性能。在此基础上，利用亚铁离子与柠檬酸的配位作用，采用水热法，合成了面心立方结构的四氧化三铁磁性粉体，研究了柠檬酸含量和反应时间对合成Fe3O4磁性颗粒形貌及其磁性能的影响，确定了合成四氧化三铁纳米粉体的最佳工艺。此外，还利用发泡剂产生气泡，合成了具有核壳结构的Fe2MnO4磁性粉体，研究了Mn2+/Fe3+摩尔比、发泡剂、溶剂对合成Fe2MnO4粉体的影响。采用XRD、FTIR、SEM、TEM和磁性测量系统等表征手段对合成磁性粉体的成分、结构和磁性能进行了表征。 Guassian09W软件计算结果表明，亚铁离子与柠檬酸根离子中两个相邻的羰基氧进行配位形成[FeY]-配合物，亚铁离子与两个柠檬酸根长烷基链中相邻的羰基氧和羟基氧进行配位形成[FeY2]5-配合物。随着溶液中柠檬酸含量的增加，亚铁离子与柠檬酸的配位状态逐渐由[FeY]-配合物变成[FeY2]5-配合物。CASTEP模块计算结果表明，Mn元素掺杂面心立方晶系的Fe3O4后，分子磁矩高达13μB，高于Fe3O4的分子磁矩，以此推断面心立方晶系Fe2MnO4分子会具有较高的磁性能。 采用柠檬酸配合物溶液，利用水热法合成了高纯度面立方结构的四氧化三铁粉体。研究表明，在溶液中的FeSO4浓度3mol/L、柠檬酸浓度7mol/L、N2H4·H2O浓度5.7mmol/L、反应温度为140℃，反应时间为14h的工艺条件下，合成四氧化三铁粉体的形貌为厚度约为50nm的块状，饱和磁化强度为97emu/g，相比目前文献报道的最高块状Fe3O4饱和磁化强度提高了7.78%。 利用发泡剂发泡，水热合成了核壳结构Fe2MnO4粉体。研究表明，在溶液中乙二醇60mL、MnCl2浓度28.3mmol/L、FeCl3浓度56.6mmol/L、NH4Ac0.83mmol/L，反应温度为200℃，反应时间为12h的工艺条件下，合成了核壳结构Fe2MnO4粉体的粒径在100–200nm范围，饱和磁化强度为111.6emu/g。当溶剂为1，2-丙二醇，合成Fe2MnO4颗粒的粒径为40nm，饱和磁化强度为120emu/g。

目录

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第 1 章 绪论

1.1 磁性材料简介

1.1.1 磁性材料研究背景和进展

1.1.2 合金磁性材料

1.1.3 铁氧体磁性材料

1.1.4 纳米磁性材料

1.2 Fe3O4磁性纳米粉体

1.2.1 共沉淀法

1.2.2 水热法

1.2.3 热分解法

1.2.4 微乳液法

1.2.5 溶胶-凝胶法

1.2.6 电化学法

1.2.7 模板法

1.2.8 气溶胶/蒸汽法

1.2.9 流动注射合成法

1.3 本课题的研究内容及意义

第2章 实验部分

2.1.1 实验试剂

2.1.2 实验仪器

2.2 表征方法

2.2.1 X-射线衍射

2.2.2 傅里叶红外光谱仪

2.2.3 场发射扫描电子显微镜

2.2.4 射透电子显微镜

2.2.5 磁性测量系统

第 3 章 分子模拟计算

3.1 前言

3.2 分子模拟计算简介

3.3 计算理论

3.4 Fe2+/Cit配合物体系量子化学计算

3.4.1 计算软件

3.4.2 模型构建

3.4.3 计算参数

3.4.4 计算结果

3.5 Fe2MO4磁性材料体系量子化学计算

3.5.1 计算软件和模块的选择

3.5.2 模型构建

3.5.3 计算参数

3.5.4 计算结果

3.6 本章小结

第4章 柠檬酸体系Fe3O4磁性纳米粉体的合成工艺研究

4.1 前言

4.2 研究方法

4.2.1 溶液组成

4.2.2 水热合成

4.2.3 Fe3O4粉体的表征

4.3 Fe2+/Cit摩尔比的影响

4.3.1 XRD分析

4.3.2 SEM分析

4.3.3 FTIR分析

4.3.4 磁性能分析

4.4 反应时间的影响

4.4.1 XRD分析

4.4.2 SEM分析

4.4.3 磁性能分析

4.5 本章小结

第5章 核壳结构Fe2MnO4磁性材料的合成工艺研究

5.1 前言

5.2 研究方法

5.2.1 溶液组成

5.2.2 水热合成

5.2.3 Fe2MnO4粉体的表征

5.3 Mn2+/ Fe3+摩尔比的影响

5.3.1 XRD分析

5.3.2 SEM分析

5.4 发泡剂的影响

5.4.1 XRD分析

5.4.2 SEM分析

5.4.3 TEM分析

5.4.4 磁性能分析

5.5 溶剂的影响

5.5.1 NH4Ac作发泡剂溶剂的影响

5.5.2 CO(NH2)2作发泡剂溶剂的影响

5.6 本章小结

第 6 章 结论

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢