聚丙烯酰胺凝胶法在合成三元金属氧化物材料中的应用
纳米材料在信息存储、记录介质、药物传送、磁致冷器件、污水处理、催化等领域具有广泛的应用,因而备受广大科研人员的青睐。高分散、形貌可控的纳米材料以期提高其物理化学性质,尤其是磁性纳米颗粒所表现出的比块体材料更加新颖的特性,吸引了众多科研人员的研究兴趣。<br>  本论文通过聚丙烯酰胺凝胶法制备了(Mg,Al,Mn,Ca,Sr,Ba)-铁酸盐磁性材料和铝酸锌发光材料,并研究了它们的相纯度、热学、光学和磁学性质。具体的研究内容涉及以下几个方面:<br>  (1)以酒石酸为络合剂制备了(Bi,Ca,La,Sr,Y,Al,Mn)FeO3粉体。X射线衍射(XRD)结果表明,以Bi、Ca、La、Sr和Y的...
纳米材料在信息存储、记录介质、药物传送、磁致冷器件、污水处理、催化等领域具有广泛的应用,因而备受广大科研人员的青睐。高分散、形貌可控的纳米材料以期提高其物理化学性质,尤其是磁性纳米颗粒所表现出的比块体材料更加新颖的特性,吸引了众多科研人员的研究兴趣。
  本论文通过聚丙烯酰胺凝胶法制备了(Mg,Al,Mn,Ca,Sr,Ba)-铁酸盐磁性材料和铝酸锌发光材料,并研究了它们的相纯度、热学、光学和磁学性质。具体的研究内容涉及以下几个方面:
  (1)以酒石酸为络合剂制备了(Bi,Ca,La,Sr,Y,Al,Mn)FeO3粉体。X射线衍射(XRD)结果表明,以Bi、Ca、La、Sr和Y的金属硝酸盐作为原材料制备M(M=Bi,Ca,La,Sr,Y)FeO3时,不能获得纯相的目标产物;然而以Al和 Mn的金属硝酸盐作为原材料制备M(M=Al,Mn)FeO3时,获得了纯相的目标产物。有意义的是,M(M=Al,Mn)FeO3的晶体结构与α-Fe2O3或Mn2O3的晶体结构类似。通过结合差式扫描量热(DSC)分析和XRD等数据分析,研究了M(M=Al,Mn)FeO3的相变行为。扫描电镜(SEM)观察显示,其形貌强烈地依赖于烧结温度。但是,其形貌的变化,不仅取决于络合剂的选择,而且取决于络合剂所络合的金属离子的种类以及与金属离子的配位能力。基于实验结果,对其生长机制、络合机理或发光机理进行了分析。为了获得纯相的MFeO3铁酸盐磁性材料,选择合适的络合剂是关键。
  (2)以乙二胺四乙酸(EDTA)为络合剂制备了三种不同的(Mg,Ca,Ba)铁酸盐磁性纳米颗粒。有意义的是,铁酸盐磁纳米颗粒的形貌、尺寸以及磁学性质不但与烧结温度有关,且与加入前驱体溶液中的多糖和碳等有机物有关。研究发现,由于金属离子的配位能力不同,EDTA在络合金属离子方面具有选择性,导致最终获得的产物具有不同的形貌和分散性。通过加入不同的多糖,能有效地防止凝胶在干燥过程中塌缩。在前驱体溶液中加入少量的碳颗粒,抑制了(Mg,Ca,Ba)铁酸盐相的形成,改善了样品的表面形貌,提高了它的磁矩比(SQR)值。此外,采用伽玛射线辐照辅助聚丙烯酰胺凝胶法制备的MgFe2O4纳米颗粒的磁矩比强烈依赖于辐照剂量,随着辐照剂量的增加,其磁矩比增大。
  (3)以柠檬酸作为络合剂制备了SrFe12O19纳米颗粒,研究了不同烧结温度对其相变、形貌以及磁学性质的影响。通过在前驱体溶液中添加碳颗粒研究了碳以及烧结温度对SrFe12O19纳米颗粒的相变行为、形貌以及磁学性质的影响。研究表明,碳颗粒和烧结温度能加速六方SrFe12O19相的形成,同时能获得高分散的SrFe12O19纳米颗粒并提高了它的SQR值。由于Sr:Fe=1:12,Sr离子的比例相对较少,形成SrCO3的中间过程的可能性很小,碳在烧结过程中起了一个助燃剂的作用。通过研究不同温度烧结的样品,得到了矫顽力、剩磁、饱和磁化强度以及SQR值随烧结温度变化的规律。
  (4)以Al2(SO4)3 18H2O、AlCl3 6H2O或Al(NO3)3 9H2O作为铝源,制备了三种不同的ZnAl2O4样品,研究了不同铝源对ZnAl2O4纳米颗粒的相纯度、形貌、光学性质以及发光性质的影响。研究表明:随着颗粒尺寸的增加,其带隙值减小。荧光光谱分析发现,在325nm波长的激光激发下,ZnAl2O4纳米颗粒在400nm出现了一个主要的发射带和在410和445 nm出现了两个弱的荧光发射峰,其色度坐标为(0.1729,0.0048)。发光实验表明,以Al(NO3)3 9H2O制备的ZnAl2O4纳米颗粒的荧光发射强度最强,逐次是以Al2(SO4)3 18H2O和AlCl3 6H2O制备的ZnAl2O4纳米颗粒。其结果的不同,是由于带隙和缺陷类型的不同共同作用引起的。感兴趣的是,类似的方法可以用来合成金属氧化物纳米颗粒,包括发光材料、高温超导、光催化剂、磁性材料以及热电材料等,通过采用不同的金属源,最终获得最优的工艺参数,提高目标产物的物理化学性质。
  尽管采用聚丙烯酰胺凝胶法制备了MFeO3、MFe2O4、MFe12O19和MAl2O4等材料,但它们的力学、热学、光学、电学、磁学性质以及合成机理还需进一步研究。另外,可将这一方法推广到其它纳米材料的制备和改善它们的物理化学性质上,尤其是多元金属氧化物纳米颗粒的制备,并将其应用在工业领域。
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作者: 王仕发
学科专业: 凝聚态物理
授予学位: 博士
学位授予单位: 电子科技大学
导师姓名: 祖小涛
学位年度: 2015
语 种: chi
分类号: TB383
在线出版日期: 2016年9月1日