纳米结构磁性粒子的磁性质以及光催化应用

摘要

纳米尺度磁性复合物呈现出不同于复合物中单一磁材料的性质和用途。
　　硬磁/软磁复合磁体是广受关注的复合体系。硬磁材料具有较高的矫顽力，而软磁材料具有较高的饱和磁化强度。理论预言，通过硬磁与软磁之间的交换耦合，硬磁/软磁复合磁体的磁能积与任一单相磁体相比将大幅度提升，有可能成为第四代永磁体。然而，大量的实验研究得出的磁能积远小于理论预言的值(1MJ/m3)，其本质原因有待于进一步研究。本论文的第一章中，研究了硬磁CoFe2O4/软磁CoFe2复合体系的磁性质。结果表明，软磁相含量的变化对磁化强度翻转进而对宏观磁性质会产生显著影响。
　　磁性金属@氧化物核壳结构是另一类复合体系。从实际应用的角度，金属容易被氧化和腐蚀。为了解决这个问题，在金属外面制备氧化物壳层，构成磁性金属@氧化物核壳结构。此外，氧化物壳层具有生物兼容性，并且更容易进行功能化，因此，这种核壳结构粒子在生物传感和光催化领域具有应用前景。用固相反应方法制备氧化物壳层会导致粒子聚集、厚度难以控制等弊端。在本论文第二章中用我们自己开发的电化学阳极氧化法制备了Fe@Fe2O3核壳结构，接着包覆TiO2，获得Fe@Fe2O3@TiO2。研究了它们的磁化强度稳定性以及光催化性能。
　　在本论文的第三章，我们研究了氢气还原对NiFe2O4@NiFe2@TiO2磁性及光催化性能的影响。随着还原温度升高，NiFe2O4@NiFe2磁性复合物中，NiFe2的比例将会增加，使得复合物的磁化强度增加，所以磁催化剂的磁分离能力增强。
　　本论文的主要研究结果如下:
　　1、CoFe2O4@CoFe2核壳粒子的制备与磁性质
　　制备了不同CoFe2含量的两个CoFe2O4/CoFe2交换弹簧复合材料，研究了不同磁场强度（500Oe到20kOe）的场冷(FC)和零场冷(ZFC)磁化强度(MFC、MZFC)对温度的依赖关系。两个样品表现出不同的磁化强度翻转行为:随着温度降低，两个复合材料的磁矩在场依赖的不可逆温度Tirr处发生冻结。对于CoFe2含量较低的样品，-d(MFC-MZFC)/dT对温度T的曲线在低于Tirr中间温区T2处出现一个很宽的峰;当温度降低至10K时磁矩并未完全冻结。然而对于CoFe2含量较高的样品，-d(MFC-MZFC)/dT曲线除了在T2处有一个宽峰以外，在温度T1=15K附近出现一个急速上升的峰，在温度低于15K时磁矩完全冻结。随着磁场从2kOe开始增加，T2和Tirr向低温方向偏移，T2的偏移由CoFe2O4的磁矩翻转所致。
　　2、Fe@Fe2O3核壳粒子的制备以及TiO2功能化
　　用电化学阳极氧化的方法合成Fe@γ-Fe2O3核/壳纳米粒子，然后在氮气保护下进行晶化。在细玻璃管中装入纳米铁粉，将铂丝插入细玻璃管中，然后将玻璃管浸入NH4F的电解液中，以面积为1.0×1.5cm2铂片作为阴极，铂丝作为阳极进行电化学氧化。HRTEM可以清楚观察到Fe@γ-Fe2O3具有核壳结构;γ-Fe2O3壳层厚度可以通过阳极氧化电压和时间来控制。与纯Fe纳米粒子相比，Fe@γ-Fe2O3纳米粒子的磁稳定性更好，且更容易包覆TiO2。总之，Fe@γ-Fe2O3纳米粒子稳定性好，具有较高的饱和磁化强度，且更容易功能化等优点。因此，它不仅能用于光催化材料，而且在靶向药物输送和生物传感器等方面也有很好的应用前景。
　　3、NiFe2O4@NiFe2@TiO2的化学态与光催化性能研究
　　用水热合成方法制备NiFe2O4@TiO2磁载光催化剂，然后将其在400℃、600℃、800℃、1000℃的HJN2混合气氛中还原，以改变元素化学态和获得有利于磁分离的强磁性NiFe2磁芯。不同于以往的报道，还原反应并没有在TiO2晶格中引入氧空位Ov和TiOx化学态。800℃还原的催化剂性能最优，其降解效率De、反应速率常数Kapp最大，分别达到99.9％和3×10-2min-1，其原因不能用对可见光的吸收、适量的Ov和TiOx化学态来解释;可能源于TiO2晶格内部、TiO2与磁性粒子之间的界面处适当的缺陷种类(如晶格内部的TiOH、界面处的Ti-O-Fe(Ni))和缺陷浓度的协同效应所致。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 磁性纳米材料的性质和应用

1．1．1 磁性纳米材料的性质

1．1．2 磁性纳米颗粒的应用

1．2 复合磁性纳米粒子的性质与应用

1．2．1 铁磁／反铁磁复合物

1．2．2 硬磁／软磁复合物

1．3 磁性粒子在光催化领域的应用

1．4 论文的选题意义和研究内容简介

第二章 CoFe2O4@CoFe2复合物的磁性质研究

2．1 引言

2．2 实验过程

2．3 结果与讨论

2．3．1 CoFe2O4／CoFe2结构、形貌与元素分析

2．3．2 CoFe2O4／CoFe2的磁性质

2．4 结论

第三章 Fe@Fe203核壳结构的制备及TiO2功能化

3．1 引言

3．2 实验过程

3．3 结果与分析

3．3．1 阳极氧化电位对样品的影响

3．3．2 阳极氧化时间对样品的影响

3．4 Fe和Fe@γ-Fe2O3的磁性稳定性和功能化

3．5 本章小结

第四章 NiFe2O4@NiFe2@TiO2的光催化性质研究

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．2 合成NiFe2O4@TiO2催化剂

4．3 表征

4．4 结果与讨论

4．4．1 NiFe2O4@TiO2

4．4．2 不同温度还原的NiFe2O4@TiO2

4．5 结论

第五章 总结

参考文献

致谢

攻读硕士期间的科研成果