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《吉林大学》 2011年
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溶剂热法合成不同形貌金属钴及磁性能研究

段连峰  
【摘要】:在现代材料和化学科学中,微/纳米材料的尺寸和形貌控制引起了学术界的广泛关注,如何合理控制材料的定向生长,调节其组成、形貌、尺寸以及维度,进而更好的理解晶体生长的复杂现象、揭示其潜在的基本理论和合成机理,并最终实现按照人们的设计合成功能材料具有十分重要的意义。磁性材料由于其特殊性能在磁记录、传感器和其他医学和生物领域得到了广泛研究和应用。金属钴作为磁性材料具有较好的磁学、电学、光学和催化性能,特别是在微/纳米尺寸范围内材料的维度、尺寸、形貌对材料的性能有较大的影响。因此,对于不同形貌的微/纳米尺寸金属钴的合成和磁性能研究成为磁性材料研究领域的热点。本论文对于Co的设计合成、形貌控制方面进行了系统的考察和分析,同时对不同形貌Co的形成机制以及磁学性质等方面做了一些探索性研究。主要研究内容和结果如下: 1.通过溶剂热法合成出不同尺寸和形貌的金属Co微米晶体。通过改变反应条件,例如:改变反应物浓度D,合成出六角盘,切角棱柱的形貌和由多面体组成的链状形貌;改变反应温度T,合成出切角棱柱体,十八面体和具有分层结构特征的柱状体;加入不同种类的碱,合成出不规则球体,扭曲的结构和规则球体;采用不同种类的溶剂,则合成出六棱柱,多面体和花状结构。可见在溶剂热反应中稍加改变反应条件合成出完全不同形貌的Co微米晶体。对不同反应时间的结果分析,进一步揭示了Co微米晶体的合成机理。此外,磁学参数的测定说明形貌对金属Co的磁学性能有较大影响。 2.实验表明,通过调节1,3-丙二胺(PDA)的加入量和反应温度合成出具有多种形貌特征的磁性金属Co的一维亚微米链粉末。面包圈形貌的合成主要是PDA和乙二醇共同作用的结果。通过考察PDA的加入量对产物形貌的影响揭示了面包圈形貌的合成机理。通过对亚微米链的形貌和微观结构分析,发现由于不完整的取向搭接机制,使得在搭接过程中形成界面,同时在界面处有位错产生。通过对一维链状材料的形成机制分析,我们认为在没有外加约束(例如:加入模板或外加磁场)条件下,通过取向搭接机制合成具有一维平滑线性特征的链状形貌十分困难。同时发现Co链在空气中的氧化温度大约在500℃左右,具有较优异抗氧化稳定性使其有更广泛的应用。对于一维Co链的磁学参数的测定,饱和磁化强度、剩磁和矫顽力分别为123 emu/g,7.1 emu/g和179 Oe。 3.在乙二醇溶液中加入较大量的表面活性剂十二烷基磺酸钠(SDS)通过溶剂热法合成层状结构单质Co,其形貌特征是由十二烷基硫酸盐(DS)将厚度均匀的片状Co连接在一起。随后在50 mL甲酰胺溶液中浸泡几天,首次通过层状脱落机制合成二维片状形貌。在加入少量SDS,加热200℃条件下合成了新颖的二维多层花状外形的金属单质Co材料。基于一系列不同反应时间的实验结果,表明花状结构Co是通过片状表面的局部取向搭接机制合成。其中,表面活性剂SDS起到关键的作用。样品的磁性能测试得出浸泡过后片状形貌样品的饱和磁化强度,剩磁和矫顽力分别为:148 emu/g,4.9 emu/g和88 Oe。浸泡前样品的饱和磁化强度,剩磁和矫顽力分别为:91 emu/g,9.8 emu/g和137 Oe。 4.通过溶剂热法,在反应溶液中通过调节H2C2O4和N2H4·H2O的加入含量,合成出具有树枝状,花状和绒球状形貌的磁性金属Co三维分级结构。每一个树枝状部分的长度平均尺寸大约10μm,宽度大约2μm,树枝状部分表面并不平整有次级结构出现。单个钴花颗粒直径大约1.5μm,并且由中心向外延伸,由直径在100-200 nm范围具有分级结构的花瓣组成。而绒球直径大约600nm,其表面由厚度为5nm的纳米片组成。三种不同的分级结构中,花状Co亚微米晶体是以单晶向多晶过渡的状态存在。通过对不同形貌的分级结构Co磁学性能的测试,树枝状,花状和绒球状形貌Co的饱和磁化强度分别为124,139和131 emu/g;剩磁为3.6,5.4和0.9 emu/g;矫顽力分别为75,105,和22 Oe。以上实验结果表明,形貌对晶体的磁性能有较大影响。
【学位授予单位】:吉林大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TB383.1

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