碳包覆Fe3O4、ZnFe2O4纳米棒的合成及磁性研究
一维磁性纳米材料具有特有的磁各向异性，即形状各向异性，是构建新型磁性功能材料的重要组元。在磁存储、敏感器件、微波吸收、生物催化等领域应用广泛。本文主要研究一维磁性纳米材料的合成，重点论述了一维磁性纳米材料的形貌、晶体结构和元素价态等微观调控以及结构对磁性的影响。 主要内容如下： 1.采用水热碳化工艺（HTC）,使用Fe(NO3)3?9H2O，FeSO4?7H2O和冷水可溶性淀粉(直链淀粉,(C6H10O5)n)作为前体，通过两步加温水热法合成了Fe3O4@C纳米棒，研究了水热条件对其生长的影响，并讨论了Fe3O4@C纳米棒的形成机理。结果表明，Fe3O4@C纳米棒长度约为44-54nm，直径约为8-9nm，碳层厚度为7-12nm。通过对X射线谱精修发现，Fe3O4样品具有面心立方反尖晶石结构，晶格常数为8.3963?。纳米棒的碳壳由非晶态和部分石墨化的碳组成。随着前驱物中铁盐含量的增加，碳层的石墨化程度依次降低。Fe3O4@C纳米棒在室温下具有良好的稳定性，其碳层的分解温度为388.33℃，样品中的Fe3O4的质量分数为78.09%。结合不同水热条件对纳米棒形貌的影响，发现纳米棒的生长实际上遵循协同软硬模板机制。直链淀粉分子之间脱水并聚合，充当软模板，Fe3+离子和Fe2+离子附在淀粉分子链上成核并生长成Fe3O4纳米棒。Fe3O4纳米棒反过来充当支撑框架和催化剂，直链淀粉继续交联碳化形成碳层。 2.研究了Fe3O4@C纳米棒在低温和室温的磁性。发现Fe3O4@C纳米棒在5K-300K范围内均表现出铁磁性。其室温下的饱和磁化强度达到77.32emu/g，与相应的体材料值比较接近(92emu/g)。随着温度的降低，矫顽力从300K的4.54Oe增加到5K的743.84Oe。在ZFC-FC曲线中未发现任何峰值，表明其阻塞温度高于300K。ZFC曲线在112k处显示驼峰状特征，对应于Verwey转变。 3.采用水热碳化工艺（HTC），以Fe(NO3)3?9H2O，FeSO4?7H2O，Zn(NO3)2?6H2O，ZnSO4?7H2O和冷水可溶性淀粉作为原料，成功合成了ZnFe2O4@C纳米棒。研究淀粉含量对纳米棒的相纯度、稳定性、晶粒尺寸、碳层厚度和磁性的影响。研究发现随着淀粉含量的降低，ZnFe2O4@C样品的相纯度逐渐降低，纳米棒的长度从48nm增加到78nm，直径从12nm增加到18nm，碳层厚度逐渐变薄，样品的稳定性逐渐变差。通过对X射线谱精修发现，其晶格常数为8.441?。 4.研究了ZnFe2O4@C纳米棒的磁性。并讨论了随着纳米棒晶粒尺寸的增大，磁化强度在增加到最高值8.29emu/g后逐渐降低的原因。室温下ZnFe2O4@C纳米棒接近于超顺磁性。通过XPS分析得出ZnFe2O4@C样品是混合尖晶石结构，Zn2+不仅存在于尖晶石结构的四面体A位还存在于八面体B位，Fe3+不仅存在于八面体B位还存在于四面体A位。通过Zn2+离子在八面体B位和四面体A位的比例，以及氧在晶格中的含量解释了样品室温下的磁化行为。研究发现，样品中Zn的价态为正二价，Fe的价态为正三价。随着淀粉含量的降低，样品中Zn2+离子在八面体位B位与四面体A位的占比先增加后降低，这与样品的磁化趋势相同。其中淀粉含量最低的样品中Zn2+离子在八面体B位与四面体A位的占比虽略有增加，但磁化强度仍然最低。一方面，这是由于杂质FeOOH含量的增加。另一方面，其晶格中少量的氧空位，也会导致磁化强度的降低。 5.研究ZnFe2O4@C纳米棒在低温下的磁性。测试样品在5k-300k的磁滞回线和M-T曲线。发现ZnFe2O4@C纳米棒在5k时具有铁磁性，当温度升至50-300k时具有超顺磁性。当淀粉含量的降到最低，样品晶粒尺寸增大，ZnFe2O4@C纳米棒在5k-300k均具有铁磁性，矫顽力值增大。其矫顽力、饱和磁化强度和有效各向异性常数随着温度的降低而增加。M-T曲线显示FC的磁化强度随着温度的升高而不断降低，ZFC曲线显示出以88k为中心较宽的最大值，不可逆温度为257k。当淀粉含量为最低时，M-T曲线的磁化强度降低，ZFC曲线在18k处显示相对尖锐的峰值，类似于块体ZnFe2O4的行为。这种磁性的变化也反映了阳离子无序度的逐渐降低。
Fe3O4纳米棒;ZnFe2O4纳米棒;HTC工艺;水热法
吉林大学
硕士
凝聚态物理
温戈辉
2023
中文
TB383
2023-08-23（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）