Fe3O4纳米颗粒与薄膜的制备及磁性能研究

论文摘要

纳米Fe3O4材料具有良好的磁性能和导电性能,在信息材料、吸波材料、药物载体和巨磁阻器件中有着广阔的应用前景。本论文采用超声共沉淀法、模板法、电沉积法制备了Fe3O4纳米颗粒和纳米薄膜,并利用静电自组装技术得到了Fe3O4纳米颗粒薄膜。利用TEM、SAED、SEM、AFM、XRD、IR、UV-vis、VSM及电化学工作站等现代测试技术对材料的尺寸、形状、结构特性及制备机理进行了较为系统的研究。采用超声共沉淀法制备了粒径均匀的Fe3O4纳米颗粒,考察了超声功率对颗粒粒径、饱和磁化强度的影响。超声场条件下得到的颗粒粒径均匀,且有较高的饱和磁化强度。当超声功率为200W时,Fe3O4颗粒的粒径为4550 nm,分散性好,具有超顺磁特性,饱和磁化强度达86.19 emu/g。首次以羧甲基壳聚糖为包覆剂,采用水解氧化法一步合成得到了粒径均匀、体系稳定的Fe3O4磁流体,考察了温度、Fe2+浓度、羧甲基壳聚糖浓度对Fe3O4颗粒粒径、体系稳定性的影响,并分析了磁流体稳定存在的机制。当羧甲基壳聚糖和Fe2+浓度均为1×10-4 mol/L时,可得到均匀的单晶球形Fe3O4颗粒,粒径为10 nm,且分散性好,磁流体体系稳定。以羧甲基壳聚糖包覆Fe3O4胶体为基质,首次在Mn2+离子改性的云母片表面和覆盖有CTAB盖玻片表面采用静电自组装技术获得了Fe3O4颗粒薄膜,研究了组装时间对薄膜形貌和磁性能的影响。由于覆盖有CTAB的盖玻片表面正电荷密度较氯化锰处理的云母片正电荷密度高,且CTAB为有机物,在水溶液中更容易与羧甲基壳聚糖有机分子吸附,所以盖玻片上更容易吸附Fe3O4颗粒,得到的颗粒膜更加致密。首次以壳聚糖膜为模板,采用原位氧化水解法制备了Fe3O4薄膜,分析了形成机理。30℃下获得的薄膜为网状结构,网孔径约为50100 nm,网壁厚度约为30 nm;50℃和80℃均得到致密的颗粒薄膜,颗粒粒径分别为25 nm和30 nm。以戊二醛交联壳聚糖膜为模板制备了Fe3O4薄膜,研究了交联度对薄膜形貌的影响。对电沉积Fe3O4薄膜工艺进行了改进,省去了循环系统和充氮装置,简化了试验装置和工艺,在普通镀槽中得到了Fe3O4薄膜,分析了沉积电位、Fe2+离子浓度、反应温度及pH对Fe3O4薄膜的影响,并从电化学角度研究了电沉积Fe3O4薄膜的机理。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 纳米科技概况
• 1.2.1 纳米粒子结构特点及相关效应
• 1.2.1.1 量子尺寸效应
• 1.2.1.2 表面效应
• 1.2.1.3 体积效应
• 1.2.1.4 宏观量子隧道效应
• 1.2.2 纳米磁性材料
• 1.3 四氧化三铁的基本性质
• 1.3.1 铁氧体材料
• 1.3.2 铁的氧化物
• 1.3.3 四氧化三铁的结构
• 1.3.4 四氧化三铁的电学性质
• 1.3.5 四氧化三铁的磁学性质
• 1.4 四氧化三铁纳米颗粒的制备方法
• 1.4.1 机械球磨法
• 1.4.2 水热法
• 1.4.3 微乳液法
• 1.4.4 超声沉淀法
• 1.4.5 水解法
• 1.5 纳米四氧化三铁粒子的应用
• 1.5.1 导电磁性颗粒
• 1.5.2 磁流体
• 1.5.3 生物医药材料
• 1.5.4 催化剂载体
• 1.6 纳米磁性四氧化三铁薄膜的制备
• 1.6.1 溅射镀膜法
• 1.6.2 脉冲激光沉积法
• 1.6.3 分子束外延
• 1.6.4 金属有机物化学气相沉积
• 1.6.5 化学镀法
• 1.6.6 电沉积法
• 1.6.7 溶胶－凝胶法
• 1.7 论文的主要研究内容
• 3O₄ 颗粒及磁流体的制备与表征'>第二章 纳米 Fe₃O₄颗粒及磁流体的制备与表征
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 3O₄ 纳米颗粒'>2.2.1 超声共沉淀法制备 Fe₃O₄纳米颗粒
• 2.2.1.1 主要试剂
• 2.2.1.2 制备方法
• 3O₄ 磁流体'>2.2.2 以羧甲基壳聚糖为包覆剂制备 Fe₃O₄磁流体
• 2.2.2.1 主要试剂
• 2.2.2.2 制备方法
• 2.3 性能测试
• 2.4 结果与讨论
• 3O₄ 纳米颗粒'>2.4.1 超声共沉淀法制备 Fe₃O₄纳米颗粒
• 3O₄ 颗粒的结构分析'>2.4.1.1 Fe₃O₄颗粒的结构分析
• 3O₄纳米颗粒的形貌分析'>2.4.1.2 Fe₃O₄纳米颗粒的形貌分析
• 3O₄纳米颗粒的红外光谱分析'>2.4.1.3 Fe₃O₄纳米颗粒的红外光谱分析
• 3O₄纳米颗粒的TG-DTA分析'>2.4.1.4 Fe₃O₄纳米颗粒的TG-DTA分析
• 3O₄纳米颗粒的磁性能'>2.4.1.5 Fe₃O₄纳米颗粒的磁性能
• 3O₄磁流体'>2.4.2 以羧甲基壳聚糖为包覆剂制备Fe₃O₄磁流体
• 2+浓度对产物的影响'>2.4.2.1 Fe²⁺浓度对产物的影响
• 2.4.2.2 羧甲基壳聚糖浓度对产物的影响
• 2.4.2.3 温度对产物的影响
• 2.4.3 胶体稳定性理论基础
• 2.4.3.1 胶体稳定性
• 2.4.3.2 胶体稳定性理论
• 2.4.3.3 单分散胶体的控制制备
• 3O₄ 磁流体的机理'>2.4.4 以羧甲基壳聚糖为包覆剂制备 Fe₃O₄磁流体的机理
• 2.5 本章小结
• 3O₄ 纳米粒子的自组装研究'>第三章 Fe₃O₄纳米粒子的自组装研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3O₄ 溶胶的制备'>3.2.1 Fe₃O₄溶胶的制备
• 3O₄ 纳米粒子的方法'>3.2.2 云母表面组装Fe₃O₄纳米粒子的方法
• 3O₄ 纳米粒子的方法'>3.2.3 盖玻片表面组装Fe₃O₄纳米粒子的方法
• 3.3 结果与讨论
• 3O₄ 纳米粒子的自组装'>3.3.1 云母表面 Fe₃O₄纳米粒子的自组装
• 3.3.1.1 云母的结构
• 3O₄纳米粒子在云母表面的自组装'>3.3.1.2 Fe₃O₄纳米粒子在云母表面的自组装
• 3O₄ 薄膜形貌的影响'>3.3.1.3 组装时间对 Fe₃O₄薄膜形貌的影响
• 3O₄ 纳米粒子的自组装'>3.3.2 盖玻片表面Fe₃O₄纳米粒子的自组装
• 3O₄ 薄膜形貌的影响'>3.3.2.1 组装时间对 Fe₃O₄薄膜形貌的影响
• 3.3.2.2 组装时间对薄膜磁性能的影响
• 3O₄ 薄膜磁性能比较'>3.3.2.3 云母片与盖玻片组装 Fe₃O₄薄膜磁性能比较
• 3.4 本章小结
• 3O₄ 薄膜'>第四章 以壳聚糖膜为模板制备Fe₃O₄薄膜
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 主要试剂与仪器
• 4.2.2 试验方法
• 4.3 结果与讨论
• 3O₄薄膜'>4.3.1 壳聚糖薄膜上原位制备Fe₃O₄薄膜
• 2+吸附量对Fe₃O₄ 薄膜形貌的影响'>4.3.1.1 Fe²⁺吸附量对Fe₃O₄薄膜形貌的影响
• 3O₄薄膜形貌的影响'>4.3.1.2 温度对Fe₃O₄薄膜形貌的影响
• 3O₄薄膜的磁性能分析'>4.3.1.3 Fe₃O₄薄膜的磁性能分析
• 4.3.1.4 TG-DTA分析
• 3O₄薄膜结构和磁性能的影响'>4.3.1.5 晶化对网状结构Fe₃O₄薄膜结构和磁性能的影响
• 3O₄薄膜'>4.3.2 以戊二醛交联壳聚糖膜为模板制备Fe₃O₄薄膜
• 3O₄膜形貌的影响'>4.3.2.1 不同交联程度对Fe₃O₄膜形貌的影响
• 4.3.2.2 TG-DTA分析
• 4.4 本章小结
• 3O₄ 薄膜'>第五章 阳极电沉积制备 Fe₃O₄薄膜
• 5.1 引言
• 5.2 实验部分
• 5.2.1 主要试剂与仪器
• 5.2.2 试验方法
• 5.3 实验结果与讨论
• 5.3.1 阳极极化曲线测定
• 5.3.2 沉积电位的影响
• 3O₄ 薄膜XRD 分析'>5.3.3 Fe₃O₄ 薄膜XRD 分析
• 2+浓度对沉积速度的影响'>5.3.4 Fe²⁺浓度对沉积速度的影响
• 5.3.5 温度对沉积层的影响
• 5.3.6 pH 值对沉积速度的影响
• 5.4 本章小结
• 第六章 全文总结
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢