论文摘要
磁性纳米粒子引起各领域的研究人员的极大兴趣，包括磁流体，催化，生物技术/生物医学，磁共振成像，数据存储，和环境治理等广泛领域。大量文献已报道磁性纳米颗粒的合成、保护、功能化和应用，以及纳米系统的磁特性。然而，这些纳米材料由于其体积小，容易聚集在一起；因为表面活性使它们变得不稳定，并具有粒度分布较宽等缺点。因此有必要研究获得窄的粒度分布、小尺寸和稳定分散的磁性纳米粒子。磁性纳米粒子的另一个潜在的应用是利用它们作为有机染料和无机材料去除剂，由于它们具有磁性，在外磁场作用下可以快速回收，并且可以重复利用。本论文研究了铁磁性金属、铁氧体材料的合成及其应用。主要内容如下七部分：一、采用水热法合成了MFe2O4（M=Mn, Fe, Co, Ni）铁氧体纳米晶体，并比较了它们对刚果红（CR）的吸附能力。首次全面的比较和分析尖晶石铁氧体纳米晶体对CR的吸附能力。研究表明，MFe2O4铁氧体的阳离子分布是决定其吸附能力最重要的因素。静电吸附是主要的吸附机制。MFe2O4纳米粒子表现出明显的铁磁行为，在磁场作用下能从废水中进行高效磁分离。此外，可以用丙酮作为负载了CR的MFe2O4纳米粒子的脱附剂。所有的尖晶石铁氧体纳米晶具有良好的软磁性能，特别是CoFe2O4纳米晶具有最高的饱和磁化强度(86.1emu·g-1)和最高的CR吸附能力。由Langmuir等温模型计算出，CoFe2O4对CR的最大吸附能力为244.5mg·g-1。二、为了提高磁铁矿对CR的吸附能力，进行了掺入镧离子的研究。研究了纳米晶Fe3-xLaxO4（x=0,0.01,0.05,0.10）铁氧体对溶液中CR的移除能力。与未掺杂磁铁矿相比，掺杂La3+离子后吸附能力从37.4mg·g-1提高到79.1mg·g-1。实验结果表明，掺杂La3+离子对提高磁铁矿的吸附能力是有效的。在La3+掺杂的磁铁矿中Fe2.95La0.05O4具有最高的饱和磁化强度和吸附能力。Fe3-xLaxO4负载CR后，可以利用丙酮进行脱附，脱附率可达92%。此外，Fe3-xLaxO4具有铁磁性，在外磁场作用下可以从污水中进行高效磁分离。研究发现高的磁性能有利于同类产物吸附能力的提高。三、利用低温水热法合成了α-Fe/Fe3O4纳米复合物。通过透射电镜（TEM）和高分辨透射电镜（HRTEM）分析发现α-Fe/Fe3O4纳米复合物是由链状的α-Fe和薄片状的Fe3O4构成的。α-Fe在α-Fe/Fe3O4纳米复合物中的重量比为35.6%。α-Fe/Fe3O4纳米复合物对于污水中的CR具有非常高的移除能力，在三分钟内几乎能全部去除溶液中CR。对于初始浓度为100mg·L-1的CR溶液，最大移除能力可达1297.06mg·g-1。α-Fe/Fe3O4纳米粒子具有高的饱和磁化强度(80.5emu·g-1)，使得在负载了CR后能够快速的从悬浮液中进行磁分离。由于在CR的去除过程中同时包括吸附和还原反应作用，纳米复合物的协同作用有利于增强对CR的移除能力。通过可见紫外吸收光谱（UV–Vis），X射线衍射（XRD）和红外吸收光谱（FTIR）对降解产物的分析，提出了α-Fe/Fe3O4复合物对CR移除的可能降解机制。利用α-Fe/Fe3O4纳米复合物可以减少处理时间、高效的移除污水中的染料，同时其合成方法简单、低成本和无污染。四、通过改变联氨的剂量采用溶剂热法合成了hcp/fcc混合结构钴和hcp结构的钴，同时研究了晶体结构对它们的磁性能和对CR移除能力的影响。这是首次报道利用微米和亚微米级钴晶体移除CR，混合结构的钴对CR的移除能力可达694.4mg·g-1。通过高分辨透射电子显微镜可以清晰的观察到hcp/fcc混合结构钴的混合程度。此外，Co晶体的饱和磁化强度（Ms）随着hcp相的增加而增加，它的矫顽力（Hc）随着hcp相的增加而减少。混合程度最大的Co晶体具有最高的移除CR的能力。微米和亚微米级Co晶体在吸附CR后能够很容易进行磁分离。五、利用水热法合成了水溶性的Fe3O4纳米粒子，它在水溶液中具有高的溶解度（28mg·mL1）和稳定性（至少存在一个月）。水溶性Fe3O4对Pb2+和Cr6+的移除能力高于非水溶性的Fe3O4。水溶性Fe3O4NPs具有高的饱和磁化强度(83.4emu·g-1)，有利于污水处理过程中的高效分离。水溶性的磁铁矿作为吸附剂，在无机械搅拌或任何外部力量的帮助下可直接溶解于水，这解决了在污水净化领域的磁性粉末的实际应用中的一个关键问题。水溶性Fe3O4NPs在两分钟内可以移除90%的浓度为10ppm的Pb2+。六、利用简单的一壶水热反应法合成钴/石墨烯纳米复合物的方法。利用NaBH4作为还原剂。制备的Co/G纳米复合物具有窄的尺寸分布和好的分散性，在能量存储和环境应用方面有应用前景。将Co/G纳米复合物分别应用于锂离子电池和去除CR的吸附剂。Co/G纳米复合物电极经过50次循环后，库伦效率超过97%，说明它具有高的充放电可逆性。Co/G纳米复合物作为CR的吸附剂，移除能力达934.9mg·g-1。七、研究一步法合成水溶性的Fe3O4/石墨烯纳米复合物，此方法是利用氧化石墨烯还原生成石墨烯，Fe3O4纳米粒子均匀的嵌在石墨烯片上。Fe3O4/石墨烯纳米复合物用作磁共振T2造影剂，显示出高效的增强效果。
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摘要Abstract第1章 绪论1.1 磁性纳米材料概述1.1.1 磁性纳米材料的分类1.1.2 磁性材料的磁性参数1.2 磁性纳米材料的合成方法1.2.1 水/溶剂热法（Hydrothermal method/ Solvothermal method）1.2.2 沉淀法（Co-precipitation）1.2.3 溶胶—凝胶法 （Sol - gel method）1.2.4 微乳液法（Microemulsion method）1.2.5 热分解法（Thermo Decomposition）1.3 磁性纳米材料的应用1.3.1 磁性纳米材料在污水处理的应用1.3.2 磁性纳米材料在电化学方面的应用1.3.3 磁性纳米材料在磁共振成像（MRI）方面的应用1.4 本文研究目的与研究内容第2章 几种磁性材料制备及对刚果红的吸附性能研究2.1 引言2.2 实验原料及方法2.2.1 实验原料及仪器设备2.2.2 样品测试参数2.2.3 吸附实验方法2O4（M= Mn, Fe, Co, Ni）的制备及对刚果红的吸附性能研究'>2.3 MFe2O4（M= Mn, Fe, Co, Ni）的制备及对刚果红的吸附性能研究2O4（M= Mn, Fe, Co, Ni） 的制备'>2.3.1 纳米晶 MFe2O4（M= Mn, Fe, Co, Ni） 的制备2O4（M= Mn, Fe, Co, Ni） 的表征'>2.3.2 纳米晶 MFe2O4（M= Mn, Fe, Co, Ni） 的表征2O4对刚果红的吸附性能研究'>2.3.3 纳米晶体 MFe2O4对刚果红的吸附性能研究2.3.4 吸附等温线2.3.5 吸附动力学2.3.6 吸附热力学2O4具有不同吸附能力的原因分析'>2.3.7 相同结构的 MFe2O4具有不同吸附能力的原因分析2O4铁氧体的解吸附研究'>2.3.8 MFe2O4铁氧体的解吸附研究2O4铁氧体的吸附能力评价'>2.3.9 MFe2O4铁氧体的吸附能力评价3-xLaxO4的制备及对刚果红的吸附性能研究'>2.4 纳米晶体 Fe3-xLaxO4的制备及对刚果红的吸附性能研究3-xLaxO4的制备'>2.4.1 纳米晶体 Fe3-xLaxO4的制备3-xLaxO4的表征'>2.4.2 纳米晶体 Fe3-xLaxO4的表征2.4.3 La3+掺杂量对磁铁矿吸附 CR 的影响2.4.4 初始浓度和接触时间对吸附的影响2.4.5 吸附等温线研究2.4.6 吸附动力学研究2.4.7 解吸附研究3-xLaxO4的磁性能'>2.4.8 Fe3-xLaxO4的磁性能3O4纳米复合物的制备及对刚果红的吸附性能研究'>2.5 α-Fe/Fe3O4纳米复合物的制备及对刚果红的吸附性能研究3O4纳米复合物的制备'>2.5.1 α-Fe/Fe3O4纳米复合物的制备3O4纳米复合物的表征'>2.5.2 α-Fe/Fe3O4纳米复合物的表征3O4纳米复合物的形成机制'>2.5.3 α-Fe/Fe3O4纳米复合物的形成机制3O4纳米复合物的磁性能研究'>2.5.4 α-Fe/Fe3O4纳米复合物的磁性能研究3O4纳米复合物对刚果红的移除能力'>2.5.5 α-Fe/Fe3O4纳米复合物对刚果红的移除能力3O4纳米复合物对 CR 的移除机理'>2.5.6 α-Fe/Fe3O4纳米复合物对 CR 的移除机理2.6 hcp-Co 和 hcp/fcc-Co 混合结构的制备及对刚果红的吸附性能2.6.1 hcp-Co 和 hcp/fcc-Co 混合结构的制备2.6.2 结构分析2.6.3 形貌和磁性能分析2.6.4 hcp-Co 和 hcp/fcc-Co 混合结构对 CR 的移除能力2.7 本章小结3O4制备及其对重金属离子吸附性能研究'>第3章 水溶性 Fe3O4制备及其对重金属离子吸附性能研究3.1 引言3.2 实验原料及方法3.2.1 实验原料及设备3O4纳米粒子制备方法'>3.2.2 水溶性和非水溶性的 Fe3O4纳米粒子制备方法3.2.3 吸附实验方法3O4纳米粒子的表征'>3.3 Fe3O4纳米粒子的表征3O4纳米粒子在重金属离子废水处理中的应用'>3.4 Fe3O4纳米粒子在重金属离子废水处理中的应用2+'>3.4.1 移除 Pb2+2+ 的吸附等温线'>3.4.2 移除 Pb2+的吸附等温线2+ 的吸附动力学研究'>3.4.3 移除 Pb2+的吸附动力学研究6+'>3.4.4 移除 Cr6+3.4.5 移除重金属离子机制3.4.6 移除重金属离子能力评价3.5 本章小结第4章 钴/石墨烯纳米复合材料的制备及其电化学性能研究4.1 引言4.2 实验原料及方法4.2.1 实验原料及仪器设备4.2.2 钴/石墨烯纳米复合材料制备4.2.3 电化学测试方法4.3 钴/石墨烯纳米复合材料的表征4.4 钴/石墨烯纳米复合物电化学性能研究4.5 钴/石墨烯纳米复合物对刚果红的移除性能研究4.6 本章小结3O4/石墨烯复合物的制备及其磁共振造影剂应用研究89'>第5章 水溶性 Fe3O4/石墨烯复合物的制备及其磁共振造影剂应用研究895.1 引言5.2 实验原料及方法5.2.1 实验原料及仪器设备3O4/石墨烯纳米复合材料制备'>5.2.2 Fe3O4/石墨烯纳米复合材料制备5.2.3 材料表征方法5.3 结果和讨论5.4 本章小结第6章 主要结论参考文献作者简介及在学期间所取得的科研成果致谢
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