氧化铁纳米结构的水热/溶剂热合成及其催化性能的表征

论文摘要

氧化铁材料成本低廉,环境污染小,抗腐蚀性和稳定性强,在催化剂、颜料、磁记录介质、磁性涂料、气体传感器以及在环境保护过程中的气体脱硫、废水处理等工业领域应用广泛。不同形貌、尺寸的氧化铁纳米材料由于特殊的纳米效应表现出不同于块状结构的独特优势,因此,关注其纳米结构的合成、表征和性能研究具有重要意义。本论文以无机铁盐和KOH/NaOH为主要原料,采用水热/溶剂热法实现了铁氧化物α-Fe2O3的合成,并研究了溶剂、表面修饰剂、矿化剂、反应时间、反应温度等工艺参数对α-Fe2O3纳米结构形成的影响规律;同时,通过各种测试手段表征了产物的物相、微观形貌和催化性能,并探讨了可能的反应机理。论文研究的主要内容和结果如下:1.利用乙醇热法,以油酸和油胺为表面修饰剂制备了边长为20～30nm的正方形α-Fe2O3纳米颗粒,产物结晶性好、粒径分布均匀、分散性好。研究表明:体系中矿化剂含量、添加剂含量和无机盐阴离子的差别均会影响产物的形貌。利用该方法制备α-Fe2O3纳米颗粒操作简单、重复性较强。2.用混合溶剂热法,以乙二醇和水的混合溶液为反应溶剂制备了氧化铁粉末,并对其物相、形貌进行了表征,对反应机理进行了研究。研究表明:可以通过调节溶剂中乙二醇和水的体积比制备出具有不同物相、颗粒大小和微观形貌的氧化铁。溶剂中水含量的增加使产物由团聚严重的Fe3O4小颗粒转变为分散性好但尺寸大的矮圆柱、类正方形、纺锤形和无规则形貌α-Fe2O3颗粒。这是因为乙二醇对Fe离子有还原作用,水的含量也影响了氧化铁的成核和生长速率。3.以用水热法合成的α-FeOOH纳米棒为原料,在不同温度下对其热处理0.5小时得到了多孔单晶α-Fe2O3纳米棒。研究表明:α-FeOOH纳米棒在239～295.1℃温度区间脱水相变成α-Fe2O3纳米棒。由于脱水过程,α-Fe2O3纳米棒表面产生了很多均匀密集的小孔洞且凹凸不平;随着热处理温度的升高,分子热运动加剧,致使孔洞趋于愈合,表面也逐渐光滑。4.以Fe和Cu的羟基氧化物沉淀为反应物料,KOH为沉淀剂,控制KOH的引入量可以实现不同Fe/Cu摩尔比的α-Fe2O3/CuO复合氧化物粉体的水热合成。矿化剂KOH的浓度影响所合成粉体的相组成,只有将体系中矿化剂KOH的量控制在0.45～0.50g范围内时,才能制备较纯净的α-Fe2O3/CuO复合氧化物。当矿化剂含量较大时,有少量Cu单质产生,矿化剂含量较小时,则含有α-FeOOH和CU2O等杂质。5.α-Fe2O3粉末及α-Fe2O3/CuO复合氧化物粉末催化性能的测试结果表明:不同α-Fe2O3粉末均使高氯酸铵（AP）的高温分解温度显著下降,粉末尺寸大小、特殊的纳米多孔结构、过渡金属氧化物的复合效应等影响α-Fe2O3粉末的催化性能。其中,正方形α-Fe2O3纳米粉末、矮圆柱α-Fe2O3粉末颗粒、350℃热处理后的多孔α-Fe2O3纳米棒、Fe/Cu摩尔比为1:1的α-Fe2O3/CuO复合氧化物粉末分别使AP的高温分解温度降低了78.1℃、74.2℃、106.3℃和143.9℃。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 纳米材料简介
• 1.2.1 纳米材料的特性
• 1.2.2 纳米材料的应用
• 1.3 氧化铁的制备及催化性能
• 1.3.1 常用氧化铁的制备方法
• 1.3.2 氧化铁的催化性能
• 1.4 纳米氧化铁的研究进展
• 1.5 本课题的研究思路和方法
• 第二章 实验及测试技术
• 2.1 实验方法
• 2.1.1 水热法
• 2.1.2 溶剂热法
• 2.2 样品制备
• 2.2.1 原料及设备
• 2O₃纳米粉末的制备'>2.2.2 正方形α-Fe₂O₃纳米粉末的制备
• 2.2.3 形貌可控的氧化铁颗粒的制备
• 2O₃纳米棒的制备'>2.2.4 单晶多孔α-Fe₂O₃纳米棒的制备
• 2O₃/CuO复合氧化物颗粒的制备'>2.2.5 α-Fe₂O₃/CuO复合氧化物颗粒的制备
• 2O₃和高氯酸铵混合粉末的制备'>2.2.6 α-Fe₂O₃和高氯酸铵混合粉末的制备
• 2.3 测试技术
• 2.3.1 X射线衍射（XRD）
• 2.3.2 透射电子显微镜（TEM）和选区电子衍射（SAED）
• 2.3.3 场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）和X射线能谱（EDX）
• 2.3.4 傅立叶变换红外光谱（FI-IR）
• 2.3.5 BET法比表面积测试
• 2.3.6 热重-差热分析（TG-DTA）
• 2O₃纳米粉末及其催化性能'>第三章 乙醇热制备α-Fe₂O₃纳米粉末及其催化性能
• 3.1 引言
• 2O₃纳米粒子形貌和尺寸的表征'>3.2 α-Fe₂O₃纳米粒子形貌和尺寸的表征
• 2O₃合成和形貌的主要因素'>3.3 影响α-Fe₂O₃合成和形貌的主要因素
• 3.3.1 矿化剂NaOH含量
• 3.3.2 不同体积比油酸/油胺添加剂
• 3.3.3 反应物料引入的阴离子
• 2O₃纳米粒子催化性能的表征'>3.4 α-Fe₂O₃纳米粒子催化性能的表征
• 3.5 小结
• 第四章 乙二醇/水混合溶剂热制备氧化铁颗粒及其催化性能
• 4.1 引言
• 4.2 氧化铁颗粒形貌的可控制备及其结构表征
• 4.2.1 乙二醇/水混合溶液对氧化铁物相形成的影响
• 4.2.2 乙二醇/水混合溶液对氧化铁颗粒形貌的影响
• 4.2.3 反应物料用量对纺锤形氧化铁颗粒大小的影响
• 4.2.4 反应时间对纺锤形氧化铁颗粒形成的影响及机理分析
• 2O₃催化性能的测定'>4.3 不同颗粒形貌的α-Fe₂O₃催化性能的测定
• 4.4 小结
• 2O₃（/CuO）纳米粉体及其催化性能'>第五章 水热法制备α-Fe₂O₃（/CuO）纳米粉体及其催化性能
• 5.1 引言
• 2O₃纳米棒的制备及其催化性能'>5.2 单晶多孔α-Fe₂O₃纳米棒的制备及其催化性能
• 2O₃纳米棒物相和形貌的表征'>5.2.1 α-Fe₂O₃纳米棒物相和形貌的表征
• 2O₃纳米棒形成机理分析'>5.2.2 多孔α-Fe₂O₃纳米棒形成机理分析
• 5.2.3 催化性能的表征及分析
• 2O₃/CuO复合氧化物的制备及其催化性能研究'>5.3 α-Fe₂O₃/CuO复合氧化物的制备及其催化性能研究
• 2O₃/CuO物相及微观形貌的表征'>5.3.1 α-Fe₂O₃/CuO物相及微观形貌的表征
• 5.3.2 催化性能的测定及分析
• 5.4 小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 作者简历