铁基氧化物纳米材料的制备及应用研究

论文题目: 铁基氧化物纳米材料的制备及应用研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 材料学

作者: 吴东辉

导师: 汪信,陆路德,杨绪杰

关键词: 纳米粒子,纳米粒子,微波辐射,水热合成,固体酸,酯化反应

文献来源: 南京理工大学

发表年度: 2005

论文摘要: 制备微观结构可控的纳米材料是当今材料科学研究的前沿问题之一，材料的性质及用途不仅取决于其化学组成，也取决于其微观结构。本论文以铁基氧化物纳米材料的制备及应用为主要对象，研究了对其晶型、形貌的控制作用及机理，同时制备了固体酸催化剂并用于催化酯化反应，主要研究内容如下：回流水热法制备均分散α-Fe2O3纳米粒子。以Fe（NO3）3为原料，当初始pH=1时，随水热时间的增加，多孔性纺锤形α-Fe2O3转变成无孔、无团聚，粒径在45nm左右的均分散菱形α-Fe2O3单晶；而Fe（NO3）3用氨水中和形成Fe（OH）3凝胶后，随着初始pH值的增加，完全转变成α-Fe2O3所需的时间增加、粒径减小，但产物的结构更为完整。研究了以FeCl3水溶液作前驱物时，表面活性剂对转化速率的影响。在反应体系中加入少量的CTAB即可使转化速率大大提高，加入DMF也可使转化速率提高，而加入SDS则使转化速率降低。以Fe（OH）3胶状沉淀为前驱物，采用微波凝胶-溶胶法制备均分散纺锤形α-Fe2O3纳米粒子，对转变机理研究后发现，在该反应条件下Fe（Ⅲ）溶胶不经β-FeOOH而是一步得到α-Fe2O3。研究了以Fe（NO3）3为原料用微波加热回流法制备纳米α-ge2O3时，初始pH值对产物形貌的影响，且结果显示微波水热可加快α-Fe2O3的转化速率。以Fe（NO3）3溶液为原料水热合成均分散α-Fe2O3纳米粒子。研究了初始pH值对产物形貌的控制作用，当初始pH值在3～7之间，随着pH值的增大，产物粒径减小、粒子形貌由近球形向菱形转变；当初始pH值为9时，产物形貌为近球形，而粒径有所增大。水热温度、水热时间及前驱物浓度对产物形貌的影响不大。研究了掺杂金属离子对水热法制备α-Fe2O3纳米粒子的影响，当前驱物pH=3，掺Zn2+、Ni2+、Co2+、Cu2+离子时，产物形貌为菱形且粒径增大；掺Cr3+时产物形貌为椭球形，且使α-Fe2O3转化速率降低；掺Al3+时，产物形貌及粒径大小基本不变。用硬脂酸法及柠檬酸盐凝胶法，经掺杂少量Na+，进行热解直接制得γ-Fe2O3纳米粒子，且随着Na+的增加，产物粒径有所增大。对铁的有机物热解机理研究后发现：在有掺杂金属离子存在时，决定铁的有机物热解产物的是掺杂金属离子极化力，掺杂金属离子极化力较小时有利于形成γ-Fe2O3，提出在热解过程中形成的、位于γ-Fe2O3晶体表面的CO32-对其有较强的稳定作用。用FeSO4·7H2O为原料，经沉淀、热解，制备γ-Fe2O3，提出Fe（Ⅱ）无机物热解制γ-Fe2O3的机理。用硬脂酸法制备Fe2O3-SiO2混合氧化物，进而制得SO42-(S2O82-)／Fe2O3-SiO2固体酸催化剂。由催化性能测试知，SiO2的引入可使催化活性明显提高，且S2O82-／Fe2O3-SiO2具有更高的催化活性。用共沉淀法制备了Fe2O3-SiO2混合氧化物前驱物，并对其进行不同的改性处理

论文目录:

摘要

Abstract

1 绪论

1.1 纳米粒子的基本概念

1.2 纳米粒子的结构

1.3 纳米粒子的性质

1.3.1 催化性质

1.3.2 化学反应性

1.4 纳米粒子的制备

1.4.1 固相法

1.4.2 气相法

1.4.3 液相法

1.4.3.1 沉淀法

1.4.3.2 溶胶-凝胶法

1.4.3.3 水热合成法

1.4.3.4 胶体化学法

1.4.4 模板合成法

1.5 纳米粒子的应用

1.5.1 在催化方面的应用

1.5.2 在磁性材料方面的应用

1.5.3 在传感器方面的应用

1.5.4 在工程上的应用

1.5.5 在医学及生物工程上的应用

1.6 问题的提出及本文的工作

2 加热回流法制备α-Fe_2O_3纳米粒子

2.1 加热回流合成均分散纳米α-F_e2O_3单晶粒子

2.1.1 实验部分

2.1.2 结果和讨论

2.1.2.1 Fe(NO_3)_3,pH=1加热回流合成不同时间

2.1.2.2 初始pH值对α-Fe_2O_3生成速率的影响

2.1.2.3 电解质对转化速率的影响

2.2 表面活性剂对FeCl_3水溶液加热回流制备α-Fe_2O_3的影响

2.2.1 实验部分

2.2.2 结果和讨论

2.2.2.1 CTAB对转化速率的影响

2.2.2.2 其它表面活性剂的影响

2.3 微波照射凝胶-溶胶法制备均分散纺锤形纳米α-Fe_2O_3

2.3.1 实验部分

2.3.2 结果与讨论

2.3.2.1 TEM测定

2.3.2.2 XRD及IR表征

2.3.2.3 微波照射凝胶-溶胶法中α-Fe_2O_3形成过程初探

2.4 pH值对微波水热法制备纳米α-Fe_2O_3的影响

2.4.1 实验部分

2.4.2 结果和讨论

2.4.2.1 XRD测试

2.4.2.2 TEM测试

2.4.2.3 比表面积测试

2.5 本章小结

3 水热法制备α-Fe_2O_3纳米粒子

3.1 水热法制备均分散α-Fe_2O_3纳米粒子

3.1.1 实验部分

3.1.2 结果和讨论

3.1.2.1 初始pH值及电解质对产物的影响

3.1.2.2 改变水热温度及时间对产物的影响

3.2 浓Fe(OH)_3凝胶水热合成α-Fe_2O_3纳米粒子

3.2.1 实验部分

3.2.2 结果与讨论

3.2.2.1 初始pH值对产物的形貌及转化速率的影响

3.2.2.2 水热温度及时间的影响

3.3 掺杂金属离子对水热法制备α-Fe_2O_3纳米粒子的影响

3.3.1 实验部分

3.3.2 结果与讨论

3.3.2.1 XRD测试

3.3.2.2 FT-IR测试

3.3.2.3 TEM测试

3.4 本章小结

4 γ-Fe_2O_3纳米材料的制备

4.1 硬脂酸法制备纳米γ-Fe_2O_3

4.1.1 实验部分

4.1.2 结果与讨论

4.1.2.1 FT-IR测定

4.1.2.2 XRD测定

4.1.2.3 TEM测定

4.2 柠檬酸盐凝胶法制备纳米γ-Fe_2O_3

4.2.1 实验部分

4.2.2 结果与讨论

4.2.2.1 XRD测试

4.2.2.2 TEM测试

4.3 掺杂金属离子对铁的有机物热解产物的影响及机理

4.3.1 原料和方法

4.3.2 结果与讨论

4.3.2.1 硬脂酸法

4.3.2.2 柠檬酸盐凝胶法

4.3.2.3 浸渍液对γ-Fe_2O_3热稳定性的影响

4.3.2.4 机理初探

4.3.2.5 应用

4.4 铁(Ⅱ)无机物热解制备γ-Fe_2O_3及机理

4.4.1 原料和方法

4.4.2 结果与讨论

4.4.2.1 XRD测试

4.4.2.2 TEM测试

4.4.2.3 机理研究

4.5 本章小结

5 SO_4~(2-)(S_2O_8~(2-))／Fe_2O_3-SiO_2固体酸的制备及应用

5.1 SO_4~(2-)(S_2O_8~(2-))／M_XO_Y型固体超强酸概述

5.1.1 固体酸催化剂的制备

5.1.2 催化剂的改性

5.1.2.1 选择不同的活性组分

5.1.2.2 载体的改性

5.1.3 微波技术在催化领域中的应用

5.1.3.1 微波诱导催化酯化反应

5.1.3.2 微波在催化材料与催化剂制备中的应用

5.1.4 固体酸催化剂的表征

5.2 硬脂酸法制备SO_4~(2-)(S_2O_8~(2-))／Fe_2O_3-SiO_2及催化性能

5.2.1 固体酸催化剂的制备及催化酯化反应

5.2.1.1 硬脂酸法制备固体酸

5.2.1.2 溶胶-凝胶法及沉淀法制备固体酸

5.2.1.3 催化反应

5.2.2 结果与讨论

5.2.2.1 XRD及TEM测定

5.2.2.2 比表面积及平均孔径测试

5.2.2.3 催化性能的测定

5.3 沉淀法制备SO_4~(2-)(S_2O_8~(2-))／Fe_2O_3-SiO_2及催化性能

5.3.1 实验部分

5.3.2 前驱物70℃水浴陈化处理制备固体酸

5.3.2.1 SO_4~(2-)／Fe_2O_3-SiO_2固体酸

5.3.2.2 S_2O_8~(2-)／Fe_2O_3-SiO_2固体酸

5.3.3 前驱物150℃水热改性制备S_2O_8~(2-)／Fe_2O_3-SiO_2固体酸

5.3.4 前驱物微波水热改性制备S_2O_8~(2-)／Fe_2O_3-SiO_2固体酸

5.3.4.1 催化剂表征

5.3.4.2 催化性能的测定

5.3.4.3 催化剂重复使用效果

5.4 微波诱导S_2O_8~(2-)／Fe_2O_3-SiO_2催化合成柠檬酸三丁酯

5.4.1 实验部分

5.4.2 结果与讨论

5.4.2.1 折光率及FT-IR测试

5.4.2.2 影响酸转化率、酯产率、反应选择性的因素

5.5 本章小结

6 固体酸催化合成马来酸双酯

6.1 SO_4~(2-)(S_2O_8~(2))／Fe_2O_3-ZrO_2催化合成马来酸二己酯

6.1.1 催化剂的制备及催化酯化反应

6.1.2 结果与讨论

6.1.2.1 酯化率与反应温度和时间的关系

6.1.2.2 催化剂组成对催化活性的影响

6.1.2.3 陈化时间的影响

6.1.2.4 预焙烧温度对催化活性的影响

6.1.2.5 浸渍液种类及浓度对催化活性的影响

6.1.2.6 浸渍时间对催化活性的影响

6.1.2.7 焙烧温度和焙烧时间对催化剂活性的影响

6.1.2.8 催化剂用量及使用次数对酯化反应的影响

6.1.2.9 催化剂的结构表征

6.2 S_2O_8~(2-)／Fe_2O_3-ZrO_2-SiO_2固体酸

6.2.1 催化剂的制备及表征

6.2.2 结果与讨论

6.3 微波诱导固体酸催化合成马来酸双酯

6.3.1 实验部分

6.3.2 结果与讨论

6.3.2.1 马来酸二辛酯的合成

6.3.2.2 其他马来酸双酯的合成

6.4 本章小结

7 沉淀法制备Fe_3O_4、NiO

7.1 Fe_3O_4超细粉体的制备

7.1.1 Fe_3O_4的制备及表征

7.1.2 结果与讨论

7.1.2.1 XRD表征

7.1.2.2 IR表征

7.1.2.3 NH_3·H_2O用量及投料方式的影响

7.2 沉淀法制备氧化镍纳米晶

7.2.1 制备方法

7.2.2 结果与讨论

7.2.2.1 前驱体的合成

7.2.2.2 XRD物相分析

7.2.2.3 TEM测试

7.3 本章小结

全文结论

致谢

参考文献

攻读博士期间发表或待发表的研究论文

发布时间: 2006-12-06

参考文献

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[9].金属氧化物基中空纳米材料的制备及催化性能研究[D]. 龚铭.清华大学2017
[10].基于仿生纳米材料的光热效应在疾病治疗中的应用[D]. 王冬冬.北京科技大学2019

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