低维非晶氧化铁的相转变及壳/芯复合纳米线的制备

论文摘要

非晶纳米结构材料具有丰富的表面或界面,同时,非晶态材料在结构上还处于亚稳态,因此,提高结构稳定性成为这类功能纳米材料实际应用中必须解决的关键问题。壳/芯结构复合纳米线由于具有优异的功能特性,成为当前一维纳米结构材料的一个前沿研究课题。本文选择在能源材料领域具有潜在应用前景的非晶纳米结构氧化铁为研究对象,采用 x 射线衍射、透射电子显微镜和热分析等技术,开展了非晶 Fe2O3纳米结构材料稳定性的研究并探索了 Ni / γ-Fe2O3壳/芯复合纳米线的制备。利用化学法制备了非晶 Fe2O3 纳米粉体,采用碱洗对其表面进行改性,研究了表面改性对非晶 Fe2O3 纳米粉体结构稳定性的影响。结果表明,表面改性提高了非晶 Fe2O3纳米粉体的结构稳定性。与原始制备的非晶 Fe2O3纳米粉体相比,经过碱洗表面改性后非晶 Fe2O3 纳米粉体的晶化温度提高了 49.3℃,晶化表观激活能由 81.5kJ/mol 增加到 156.8 kJ/mol,并改变了 α-Fe2O3 晶体的转变行为。这是由于表面改性后纳米氧化铁表面-OH 含量增加,降低了它的表面能,抑制了晶体的表面成核。采用多孔氧化铝模板,结合化学法制备了直径为 20-50 nm 的非晶 Fe2O3纳米线。自由态非晶 Fe2O3纳米线的晶化温度为 365.6℃,晶化表观激活能为 88.3 kJ/mol,稍高于非晶 Fe2O3纳米粉体,并在晶化初期表现出较高的晶化激活能（115 kJ/mol）。采用差热分析和原位 x 射线衍射技术研究了非晶 Fe2O3纳米线在非晶氧化铝模板束缚下的晶化转变。结果表明,非晶 Fe2O3 纳米线在氧化铝模板束缚下的晶化温度为 850℃,与自由态非晶纳米线的晶化温度 （365℃） 相比约提高 500℃。分析认为,晶化温度的升高是由于结晶转变在非晶氧化铝/非晶氧化铁界面处的非均匀形核受到抑制以及非晶 Fe2O3在高温下由于热膨胀而受到的压力对其晶化转变的抑制。采用硅烷化后的氧化铝模板,利用电化学沉积法和沉淀法相结合的方法,制备出具有双层壳/芯结构的 Ni/ γ-Fe2O3复合纳米线,其外层 Ni 为非晶态,芯部 γ-Fe2O3为多晶结构。外层 Ni 管由电沉积获得,其管壁厚度可由电沉积参数调节,而芯部γ-Fe2O3由晶态β-FeOOH 在 300℃灼烧转变而成。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 纳米材料概述
• 1.2 纳米材料分类
• 1.3 纳米材料的制备方法
• 1.3.1 微粒的一般合成方法
• 1.3.2 一维纳米材料的制备
• 1.3.3 纳米固体的制备方法
• 1.3.4 纳米薄膜的制备
• 1.4 非晶态材料概述
• 1.5 非晶态氧化物
• 1.6 非晶态纳米氧化物
• 1.6.1 非晶态纳米氧化物的应用
• 1.6.2 非晶态纳米氧化物的制备
• 1.7 低维材料的稳定性
• 1.7.1 低维材料熔点的降低与过热
• 1.7.2 表面在纳米结构相变中的作用
• 1.7.3 非晶纳米氧化物的稳定性
• 1.8 本论文研究的目的、意义和内容
• 第2章 非晶氧化铁纳米粉体的晶化转变
• 2.1 引言
• 2.2 实验方法
• 2.2.1 样品制备与测试分析
• 2.2.2 数据分析方法
• 2.3 实验结果与讨论
• 2.3.1 非晶氧化铁纳米粉体的晶化过程
• 2.3.2 碱洗对非晶氧化铁纳米粉体表面的影响
• 2.3.3 表面改性对非晶氧化铁纳米粉体晶化的影响
• 2.3.4 连续加热条件下晶化动力学研究
• 2.4 表面吸附机理
• 2.5 非晶氧化铁纳米粉体晶化转变热力学分析
• 2.6 本章小结
• 第3章 非晶氧化铁纳米线的晶化转变研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验
• 3.2.1 多孔氧化铝模板的制备
• 3.2.2 非晶氧化铁纳米线的制备
• 3.3 实验结果与讨论
• 3.3.1 阳极氧化铝模板的表征
• 3.3.2 氧化铁纳米线的制备
• 3.3.3 非晶氧化铁纳米线的晶化动力学分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 束缚状态下非晶氧化铁纳米线的晶化转变研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验
• 4.3 实验结果
• 4.3.1 模板中原始态纳米线的形貌
• 4.3.2 模板中非晶氧化铁纳米线的晶化研究
• 4.3.3 原位 X 射线研究
• 4.4 非晶纳米线晶化温度提高原因探讨
• 2O₃ 和 Fe203 非晶的界面'>4.4.1 Al₂O₃ 和 Fe203 非晶的界面
• 4.4.2 内压对非晶氧化铁纳米线晶化的影响
• 4.5 本章小结
• 第5章 Ni/γ-Fe203 壳/芯复合纳米线制备的研究
• 5.1 引言
• 5.2 实验方法
• 5.3 实验结果和讨论
• 5.3.1 Ni 纳米管的制备
• 5.3.2 Ni 纳米管形成机制探讨
• 5.3.3 芯/壳复合纳米线的制备
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间承担的科研任务和主要成果
• 致谢
• 作者简历