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Fe_3O_4纳米颗粒的表面修饰及其复合膜的制备与应用研究

马生华  
【摘要】:磁性纳米材料除具有纳米材料的一般特性外,还具有特殊的磁学性能,使得其在环境、生物医学和催化领域得到了广泛应用。磁性Fe_3O_4纳米颗粒制备过程简单,且具有较强磁性并易于在外磁场下回收,所以Fe_3O_4纳米颗粒成为研究的热点。本论文以磁性Fe_3O_4纳米粒子为核心,利用Pickering微乳液技术,可控组装了磁性纳米材料与碳纳米材料、贵金属纳米材料的复合物,具有分散性好、活性强等特点。采用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射谱(XRD)、光学显微镜等表征手段对磁性纳米粒子及其复合材料的表面改性、油水相转移、催化、油水分离等方面进行详细研究,主要研究内容如下:建立一种具有普适性的Fe_3O_4纳米粒子油水相转移的方法。首先,在含有十八烷基三甲氧基硅烷(ODTS)的己烷(油相)中加入Fe_3O_4纳米粒子,利用ODTS与Fe_3O_4纳米粒子表面反应,使改性的Fe_3O_4磁纳米颗粒(Fe_3O_4@ODTS)分散到油相中;将Fe_3O_4@ODTS加入到含有磷脂泡囊(egg-PC)的水溶液中,通过疏水力作用,最终制备出杂化磷脂双层膜修饰的Fe_3O_4纳米粒子(Fe_3O_4@ODTS@egg-PC)。这种具有普适性的相转移方法可以应用于多种纳米粒子的相转移,其中包括TiO_2,CeO_2,Ag,CNTs等纳米粒子。制备Fe_3O_4和CNTs复合粒子稳定的Pickering乳液,利用Pickering乳液界面聚合合成Fe_3O_4/CNTs杂化膜片,并详细考察Fe_3O_4/CNTs杂化膜片稳定的乳液的催化性能。在入乙醇可使Pickering乳液破碎形成小杂化膜片,小杂化膜片也可重新稳定Pickering乳液。利用“破碎-重组”机制下,制备得到了Fe_3O_4/CNTs-Pd复合物,并对其稳定的乳液催化性能进行研究。Pickering乳液体系在15 min内催化丙酮生成异丙醇的产率为99.5±0.4%,反应过程中没有其他副产物生成。在乳液体系中,Fe_3O_4/CNTs-Pd催化剂循环使用10次后,异丙醇产率没有明显降低。本研究表明Fe_3O_4/CNTs杂化膜片稳定的乳液在催化领域具有潜在的应用价值。利用Pickering微乳液技术,制备Fe_3O_4与石墨烯(RGO)复合物稳定的Pickering乳液,并对复合物稳定的乳液催化体系进行详细研究。在乳液的“破碎-重组”机制下,成功的制备出MRGO-Pd复合物。以MRGO-Pd为稳定剂,得到稳定的W/O型Pickering乳液,并以此为微反应器,研究MRGO-Pd的催化性能。对硝基苯加氢和SudanⅣ氧化降解两种类型的催化反应进行详细研究。在SudanⅣ初始浓度为0.79 m M,H2O2初始浓度1.9 g/L,催化剂用量为1.2 g/L,反应时间为100 min的实验条件下,SudanⅣ去除率达99.6%。在对硝基苯初始浓度为10 m M,Na BH4初始浓度20 g/L,催化剂用量为2 g/L,反应时间为40min的研究实验条件下,对硝基甲苯加氢率达99.8%。MRGO-Pd催化剂可在外加磁场下回收利用,循环使用10次后对硝基甲苯加氢率和SudanⅣ的降解效率均没有明显的降低。制备出基于MRGO@ODTS具有双功能的破乳剂。详细研究ODTS表面修饰后的MRGO的破乳能力。实验结果表明,MRGO@ODTS作为新型的破乳剂,可以应用到W/O和O/W乳液体系的油水分离中,且具有显著的分离效率。在W/O乳液体系中,加入MRGO@ODTS使其在乳液中的质量浓度为25 g/L时,100 min时破乳效率可达到96.8±2.9%。在O/W乳液体系,加入MRGO@ODTS使其在乳液中的质量浓度为75 g/L,100 min后破乳效率可达到97.9±2.1%。MRGO@ODTS更利于W/O乳液体系的油水分离。循环进行10次破乳实验后,MRGO@ODTS对W/O和O/W型乳液的破乳效率均没有明显降低,表明MRGO@ODTS具有良好的稳定性和重复使用性。MRGO@ODTS作为破乳剂在炼油和含油废水等领域具有潜在的应用价值。


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