尖晶石结构铁酸盐矿物的制备和表征

论文摘要

铁是地球上含量最多的元素之一，地球上蕴含着大量的铁矿物，最常见铁矿物是其氧化物和氢氧化物。铁的氧化物和氢氧化物纳米粒子表面可参与络合反应和催化反应，可以清除环境中的有害物质，所以探讨纳米铁矿物吸附有机物的机理十分有意义。尖晶石结构的铁酸盐纳米材料是一类非常重要的无机功能材料。尖晶石类铁酸盐纳米材料广泛用在磁流体、生物医学和雷达信号吸收等方面。本文采用微波法合成了尖晶石结构的ZnFe2O4、NiFe2O4、MnFe2O4和CoFe2O4的纳米粒子，并对其进行了X射线衍射（XRD）、透射电镜（TEM）、红外光谱（IR）等表征。制备的铁氧体纳米粒子的粒径在20–30nm之间，比表面积在70-200m2/g之间。采用自动电位滴定法对微波法合成的铁酸盐进行酸碱滴定，建立了离子交换计算模型，利用计算机软件FITEQL模拟计算表面反应平衡常数，为进一步了解铁酸盐表面吸附性质提供了信息。以实验室制备的纳米铁酸盐作为吸附剂，进行乙基黄原酸盐的吸附性能的研究，测定了在不同pH条件下对乙基黄原酸盐的吸附量的影响。结果表明：随着pH的增加，吸附率降低。本文以FeCl3和L-半胱氨酸为原料采用溶剂热法一步合成了表面巯基化的四氧化三铁的纳米粒子Fe3O4/L-Cys。并对其进行了X射线衍射（XRD）、透射电镜（TEM）、红外光谱（IR）、热重-差热分析（TG-DTA）等表征；并通过Zeta电位和酸碱滴定研究其表面性质。结果表明：合成的纳米粒子的粒径大小在30nm左右。通过以上表征手段推测出，Fe3O4/L-Cys是通过L-半胱氨酸与Fe3O4表面生成配位键结合而成的；附着在Fe3O4表面L-半胱氨酸的羧基和巯基致使表面负电荷增加；Fe3O4/L-Cys的酸碱缓冲能力比Fe3O4的酸碱缓冲能力强。将本文合成纳米ZnFe2O4制备成气敏元件，选择氯代苯和甲醇为测试气体。结果表明：当氯代苯的浓度为50ppm，温度为300℃时，响应时间为25s，恢复时间为75s。当甲醇的浓度为50ppm，温度为260℃时，响应时间为57s，恢复时间为62s。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 铁酸盐的种类及应用
• 1.1.1 铁酸盐的种类
• 1.1.2 尖晶石结构的铁酸盐的结构
• 1.2 纳米铁酸盐材料的应用
• 1.2.1 纳米铁酸盐在医学方面的应用
• 1.2.2 磁性铁酸盐在电子信息方面的应用
• 1.2.3 铁酸盐作为吸附剂在环境保护方面的应用
• 1.2.4 铁酸盐对有机污染物的光催化氧化作用
• 1.3 纳米铁酸盐的制备
• 1.3.1 固相法
• 1.3.2 液相法
• 1.3.3 气相法
• 1.3.4 其它方法
• 1.4 纳米铁酸盐矿物表面特征
• 1.5 纳米铁酸盐的表面反应
• 1.5.1 铁或其氧化物的（光）催化氧化降解
• 1.5.2 生命化学方面
• 1.5.3 铁或其氧化物对有机物的吸附
• 1.6 本论文的研究背景及相关性
• 1.7 相关计算程序
• 1.8 本论文的研究目的和主要内容
• 第二章 尖晶石结构纳米四氧化三铁的制备和表征
• 2.1 纳米四氧化三铁的制备
• 2.1.1 实验试剂和仪器
• 2.1.2 纳米四氧化三铁的制备
• 2.2 表征方法
• 2.2.1 XRD 表征
• 2.2.2 TEM 表征
• 2.2.3 比表面 BET 表征
• 2.2.4 红外表征
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 XRD 表征
• 2.3.2 TEM 表征
• 2.3.3 BET 表征
• 2.3.4 红外光谱分析
• 2.4 小结
• 第三章 尖晶石类纳米四氧化三铁表面性质和吸附行为的研究
• 3.1 纳米四氧化三铁表面酸碱滴定
• 3.1.1 溶液的配置
• 3.1.2 酸碱滴定
• 3.1.3 计算表面对氢离子的吸附、脱附常数
• 3.2 平衡常数计算结果与讨论
• 3.2.1 四氧化三铁表面 Ht图
• 3.2.2 Gran 图
• 3.2.3 FITEQL 计算四氧化三铁表面酸碱反应常数
• 3.3 纳米四氧化三铁表面对乙基黄原酸盐和甲基红的吸附行为
• 3.3.1 实验仪器
• 3.3.2. 乙基黄原酸盐标准曲线的配制及吸附
• 3.3.3 甲基红标准曲线的配制及吸附
• 3.4 小结
• 第四章 尖晶石结构纳米四氧化三铁的表面巯基化
• 4.1 实验部分
• 4.1.1 主要试剂与仪器
• 4.1.2 表面巯基化的四氧化三铁的制备
• 3O₄/L-Cys 的 Zeta 电位的测定'>4.1.3 纳米 Fe₃O₄/L-Cys 的 Zeta 电位的测定
• 3O₄/L-Cys 的酸碱滴定'>4.1.4 纳米 Fe₃O₄/L-Cys 的酸碱滴定
• 4.2 结果与讨论
• 4.2.1 XRD 表征
• 4.2.2 TEM 及粒度分布表征
• 4.2.4 FT-IR 化学结构分析
• 4.2.5 热重分析
• 4.2.6 Zeta 电位表面电荷分析
• 4.2.7 酸碱滴定
• 4.3 小结
• 第五章 不同类型尖晶石结构铁酸盐纳米粒子的制备和表征
• 5.1 实验试剂与实验仪器
• 5.2. 不同铁酸盐纳米粒子的制备方法
• 5.2.1 纳米铁酸锌的制备
• 5.2.2 纳米铁酸镍的制备
• 5.2.3 纳米铁酸锰的制备
• 5.2.4 纳米铁酸钴的制备
• 5.3 样品表征
• 5.3.1 XRD 表征
• 5.3.2 Zeta 电位表征
• 5.3.3 氮气吸附脱附表征
• 5.3.4 红外表征
• 5.4 结果与讨论
• 5.4.1 XRD 分析
• 5.4.3 纳米铁酸盐的 Zeta 电位的测定
• 5.4.4 氮气吸附脱附分析
• 5.4.5 红外分析
• 5.5 尖晶结构型铁酸锌纳米粒子的气敏性质
• 5.5.0 引言
• 5.5.1 实验试剂与实验仪器
• 5.5.2 气敏元件敏感特性的测试
• 5.5.3 结果与讨论
• 5.6 小结
• 第六章 不同类型尖晶石结构铁酸盐纳米粒子表面酸碱性质研究
• 6.1 铁酸盐纳米粒子的酸碱滴定
• 6.1.1 溶液的配制
• 6.1.2 酸碱滴定
• 6.1.3 计算铁酸盐纳米粒子表面对氢离子的酸碱平衡常数
• 6.2 结果与讨论
• 6.2.1 尖晶石结构铁酸盐纳米粒子 Ht-pH 图
• 6.2.2 尖晶石结构铁酸盐纳米粒子 Gran 图
• 6.2.3 FITEQL 计算尖晶石结构铁酸盐纳米粒子表面加质子和脱质子常数
• 6.3 纳米铁酸盐对乙基黄原酸盐的吸附行为
• 6.3.1 实验试剂与实验仪器
• 6.3.2 乙基黄原酸盐标准曲线的测定
• 6.3.4 尖晶石结构铁酸盐纳米粒子对乙基黄原酸盐吸附
• 6.4 结果与讨论
• 6.4.1 尖晶石结构铁酸盐纳米粒子对乙基黄原酸盐吸附的结果
• 6.4.2 纳米铁酸盐对乙基黄原酸盐的吸附机理探讨
• 6.5 小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录
• 一、在校期间发表的学术论文