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《大连理工大学》 2012年
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铁基核/壳结构磁性纳米球的合成及应用

王光辉  
【摘要】:磁性纳米材料在催化剂载体、生物医药、磁流体、高密度磁记录材料等领域有着广阔的应用前景,引起了人们的高度重视。到目前为止,人们在磁性纳米材料的合成、功能化以及应用等方面取得了丰富的成果。但是,如何根据实际应用需要,人为的去设计组装磁性纳米材料仍然具有很大的挑战。基于本课题组在炭、硅以及磁性纳米材料领域的研究基础与进展,本论文以铁基磁性纳米粒子为基础,从以下几个方面对铁基磁性纳米材料的组装设计以及应用展开研究。 (1)为了解决磁性纳米粒子在应用环境中的长期稳定性问题,设计合成了炭包埋、单分散、高稳定的纳米磁性炭复合球。首先,采用本课题组改进的共沉淀法合成出尺寸相对均一的Fe304纳米颗粒。然后,利用苯酚和六次甲基四胺为前驱体,在水热条件下得到聚合物包埋的Fe3O4@PF复合球。之后,在Fe3O4@PF复合球表面成功地包埋了一层SiOa,再经过炭化和除Si02的过程得到单分散的Fe3O4@C产物。通过改变实验条件,实现了对Fe3O4@C复合球尺寸的控制(100-500nm)以及包埋Fe304纳米颗粒数量的控制。而且,产物的饱和磁化强度在1-24emu·g-1范围内可调。研究表明,炭化温度对复合球的结构有重要的影响。当炭化温度为500℃时,被包埋的Fe304纳米颗粒在复合球中的位置以及结构没有发生变化,仅仅是聚合物层不断地被热解转化成炭层;当温度升高到600℃时,Fe304纳米颗粒长大,但复合球的结构没有变化;当温度高于700℃时,Fe304纳米颗粒与原位生成的炭层发生反应,形成石墨化炭、Fe以及Fe3C等产物。另外,对600℃炭化得到的Fe304@C产物进行了稳定性测试,结果表明,该产物能够耐强酸,空气条件下350℃时稳定。 (2)以不同种类的氨基酸作为结构导向剂,采用水热法合成了形貌以及尺寸可控的α-Fe2O3纳米颗粒。研究表明,氨基酸的种类和用量、反应温度等对α-Fe2O3纳米颗粒的尺寸和形貌有重要的影响。当利用侧链含有C=O的酸性氨基酸作为结构导向剂时,产物容易形成纺锤状结构;当利用侧链含有NH2-的碱性氨基酸作为结构导向剂时,产物容易形成菱形结构。增加氨基酸的用量有利于合成小尺寸的α-Fe2O3纳米颗粒。利用苯酚和六次甲基四胺(HMT)为前驱体,在水热条件下得到了酚醛树脂包埋α-Fe2O3纳米颗粒的α-Fe2O3@Polymer复合球。另外,根据文献报道分别合成出了立方形α-Fe2O3纳米颗粒(40nm),采用同样的水热合成法,成功地实现了对立方形α-Fe2O3纳米颗粒的聚合物包埋。因此,利用苯酚和HMT为聚合物前驱体,通过水热法合成FexOy@PF壳核结构的方法具有普适性。 (3)利用弱酸弱碱的相互作用(-COO-/NH4+/-COO-),以2,4-二羟基苯甲酸和甲醛为聚合物前驱体,油酸为软模板,在水热条件下,合成了富含-COOH官能团的空心聚合物球。合成的空心聚合物球通过炭化或者离子交换后再炭化的过程,可以转化为空心炭球或者磁性石墨化空心炭球。由于空心聚合物球的尺寸以及空腔大小可以通过改变合成条件进行调整,因此相应的空心炭球或者空心石墨化炭的尺寸也可以控制。另外,成功地将Fe304纳米颗粒引入到空心聚合物球内部。进一步通过离子交换和炭化的过程,将贵金属纳米粒子掺杂到炭壳壁上。最终,得到空心炭球包埋Fe304并且壳壁掺杂贵金属纳米颗粒的双功能复合物球。 (4)在合成单分散的Fe3O4@C复合物球的基础上,设计合成了在Si02空心球内包含Fe/noble metal纳米粒子的磁性纳米催化剂。首先,将Fe2O3@PF@SiO2产物在空气条件下焙烧,除掉聚合物层;之后利用H2还原得到蛋壳结构的Fe@h-SiO2。然后,再通过置换反应将贵金属粒子引入到空心硅球的内部,得到Fe/noble metal@h-SiO2。将合成的Fe/Ag@h-SiO2产物和Fe/Pd@h-SiO2产物应用于苯乙烯环氧化反应和硝基苯加氢反应中,两种催化剂都显示出较高的活性,同时具有磁分离的性能。
【学位授予单位】:大连理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:TB383.1

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