水滑石基核壳结构磁性纳米复合材料的制备与性能研究

摘要

随着国民经济的日益发展,人们对纳米材料的性能提出了更高的要求,具有多功能性的磁性纳米复合材料便应运而生。近年来,人们通过对材料性能的设计,开发了多种新型的磁性纳米复合材料,其中具有核壳结构的磁性纳米复合材料是较为突出的一类。
　　 本文以水滑石类化合物(LDHs)为壳层,以具有强磁性的四氧化三铁(Fe3O4)为核,通过一步共沉淀法制备出了具有典型核壳结构的磁性纳米复合材料。通过对磁性复合材料的结构和性能研究,来进一步揭示它们之间的联系,并为开发类似结构的复合材料提供一种新方法和新思路。本文的主要研究内容和创新点如下:
　　 (1)采用修饰了的溶剂热法,通过调控起始溶液中的[Fe3+]制备不同尺寸的Fe3O4纳米粒。通过XRD、SEM/TEM及VSM表征表明,合成出了球形、近单分散分布并具有强的比饱和磁化强度的200nm和500nm的Fe3O4纳米颗粒。
　　 (2)以500 nm的Fe3O4为磁核,以具有催化活性的碳酸根插层铜镁铝水滑石(CuMgAl-LDH)为壳,通过对制备方法的选择以及条件优化,成功制备出了具有典型核@壳结构的Fe3O4@CuMgAl-LDH磁性纳米催化剂。其粒子大小约为550 nm,水滑石壳层厚度约为50nm,比饱和磁化强度为53.69 emu/g。低温N2吸脱附曲线呈现出明显的滞后环,说明该复合材料具有丰富的孔道结构。通过对得到的磁性纳米催化剂在不同温度下焙烧,可以得到系列衍生催化剂Fe3O4@CMAO。
　　 苯酚羟化试验表明,与相关参比催化剂比较,在优化条件下(温度:65℃,时间:40 min,苯酚与催化剂的质量比为34),Fe3O4@CuMgAl-LDH具有最高的催化活性。苯酚的转化率和H2O2的有效利用率分别为47.2％和45.3％。而且,在外加磁场下该催化剂可实现方便的分离与再利用,其三次转化率均保持在38％以上,回收催化剂的晶体结构和核壳结构仍保持。Fe3O4@CuMgAl-LDH的高活性可归因于催化剂的核@壳结构,使得核与壳之间可以产生电子传递所致。XPS表明CuMgAl-LDH与Fe3O4之间可能主要通过Mg-O-Fe,Cu-O-Fe键的形式结合并给出了该磁性催化剂在苯酚羟化反应中的催化机理模型。
　　 (3)以尺寸为200 nm的Fe3O4为磁核,以正硅酸乙酯(主要成分为二氧化硅)作为荧光物质量子点(QDs)CdSe/ZnS与磁核Fe3O4的连接层,以具有缓释功能的布洛芬插层镁铝水滑石(IBU-LDH)为壳,利用双滴共沉淀法成功制备出了集磁性、荧光以及药物缓释为一体的复合材料Fe3O4-SiO2-QDs-SiO2@IBU-LDH,其粒子尺寸约为240 nm左右,其中磁核约在200 nm左右,二氧化硅中间层的厚度约为20nm,CdSe/ZnS处于硅烷偶联剂和二氧化硅层之间,IBU-LDH的厚度在10 nm左右,其比饱和磁化强度为4.43 emu/g,荧光发射峰的中心峰位为607 nm。这些结果表明LDH基核壳型磁性荧光纳米载药粒子在磁靶向药物传输系统中具有潜在的应用前景。