新型氧化铁基纳米材料的制备及其相关性能的研究

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作者圣悦
来源北京邮电大学
出版年2016
摘要
铁是地球上分布最广、最常用的金属元素之一,其已经被广泛的应用于我们的生产、生活当中。铁的广泛应用推动着人类社会生产力、文明等方方面面的发展,是工业生产的基础。由于铁在空气中极易被氧化,其在自然界中一般以氧化物的形式存在,例如三氧化二铁(Fe2O3)和四氧化三铁(Fe3O4)。因此,本文对新型氧化铁基纳米材料的制备及其相关性能做了详尽的研究,主要针对α-Fe203和铁酸锌这两种纳米材料。通过X射线衍射(XRD),扫描电子显微镜(SEM),透射电子显微镜(TEM),BET比表面积和紫外可见光谱分析测试(UV-vis)等表征手段对产物进行表征。最后,我们进行了使用所得铁酸锌纳米材料对水中的有机污染物的降解实验,研究其光催化性能。α-Fe2O3是氧化铁的常见形式之一,也是最稳定的氧化铁形式。由于α-Fe2O3具有无毒、环保、耐腐蚀等特点,以及其是一种带有约2.eV能带隙的n型半导体,其在光学、磁学、电化学、和催化领域有许多的潜在应用。其已经被广泛应用于无机颜料,催化剂,磁性材料,电极材料,气体传感器,生物材料等。众所周知,纳米材料的属性和性能不仅取决于它们的化学成分和固有晶体结构,还取决于晶体的形态、大小和生长方向。因此,可控的合成相貌规则的α-Fe2O3晶体,对于提高其各方面性能有非常重要的影响。铁酸锌(ZnFe2O4)属于尖晶石结构的铁酸盐,尖晶石类矿物的结构通式为XY2O4,X为+2价阳离子,Y为+3价阳离子。尖晶石铁酸锌具有1.9 ev的窄带隙,由于其低毒性,低成本,良好的光敏性能和稳定的光化学性质,其已经被广泛的应用于锂离子电池,传感器,光化学水制氢和光催化等方面。由此可见,研究铁酸锌对我们的生活生产将有非常重要的影响。本文的主要内容:(1)通过水热法,合成α-Fe2O3纳米材料,再在合成过程中加入不同浓度的表面活性剂(聚苯乙烯磺酸钠,Poly(styrene sulfonic acid)Sodium Salt,PSS),利用 X 射线衍射仪、扫描电子显微镜对其进行表征和分析,研究了聚苯乙烯磺酸钠浓度对α-Fe2O3纳米材料形貌的影响。通过实验发现,当聚苯乙烯磺酸钠的添加量从0 g增加至0.1 g时,产物的形貌由直径300 nm的表面为颗粒状的纺锤体逐渐变为直径为40 nm的纺锤体。我们猜测,α-Fe2O3纳米材料形貌的变化,是由于聚苯乙烯磺酸钠在水中高度电离,聚苯乙烯磺酸离子带负点能够吸引阳离子或被带正点的晶核表面吸引,从而改变了α-Fe2O3传统的生长习性。(2)我们使用新颖的反应前体(乙酰丙酮铁和乙酰丙酮锌),及方便简易的实验方法(溶剂热法),一步合成了铁酸锌纳米颗粒。我们对使用本课题实验方法所制备的产物和传统方法制备的铁酸锌纳米材料都进行了X射线衍射,扫描电子显微镜,透射电子显微镜,BET比表面积和紫外可见光谱分析测试五种表征测试。通过对比,发现本实验方法所合成的铁酸锌纳米材料具有更规则的形貌,更大的比表面积,以及更加优异的光催化性能。我们可以认为,改进的光催化能力是由于增强的比表面积可以增加表面活性点与光照射面积造成的。

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