文档介绍：中国科学技术大学
博士学位论文
磁性Fe3O4/C核壳纳米粒子的合成、组装和应用
姓名:王辉
申请学位级别:博士
专业:无机化学
指导教师:陈乾旺
2011-06
摘要
摘要
在磁有序纳米结构、磁响应光子晶体以及磁分离等领域中的巨大应用前景
的刺激下,磁性纳米材料的合成研究受到了越来越广泛的关注。此外,磁性的
一维纳米结构由于结构单元的空间取向和排列而具有许多崭新的性质,也是制
备小型化纳米器件的基础,因此将磁性纳米粒子组装成一维有序结构具有显著
的科学意义和应用价值。本论文旨在探索磁性胶体纳米材料的磁场下合成新方
法,研究磁性胶体纳米粒子的一维有序化进程。此外,还着重研究了它们在磁
响应光子晶体以及重金属水污染等领域中的实际应用。详细内容归纳如下:
1. 以二茂铁( g)和过氧化氢为原料,以丙酮(30 ml)为溶剂,在 230 °C
的反应条件下于反应釜中首先合成了一种由氧化铁纳米晶所组成的团簇粒子
(120 nm)结构。在外加磁场诱导的作用之下( T),这种纳米粒子在丙酮
体系中可以组装成单分散的一维有序纳米链结构,链长度可达 2 μm。实验过程
中,我们研究了磁化时间和磁场强度对合成纳米链的影响。结果发现,磁化时
间直接决定着合成纳米链的长度,磁场强度也直接决定着合成纳米链的有序程
度。此外,我们还研究了过氧化氢的用量对于形成纳米粒子的影响。并发现,
改变过氧化氢的用量( ml 和 ml),可以直接改变纳米粒子中磁性材料的
组份,并进而影响合成的纳米链的链间距(8 nm 和 17 nm)。实验表明,这种具
有一定链间距的纳米链的形成是由粒子之间磁诱导力和静电排斥力共同作用的
结果。同时,粒子表面所带的负电荷使其在溶液中具有良好的分散性。
2. 以二茂铁( g),过氧化氢( ml)和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)为原
料,以乙醇(28 ml)和水(7 ml)为混合溶剂,在 230 °C 的反应条件下于反
应釜中直接合成了大量的类项链 Fe3O4 和 Fe2O3 纳米环。电镜照片表明,这些纳
米环都是由不同数量的磁性单粒子氧化铁纳米晶(40 nm)所组成。为了阐释纳
米环的形成机制,我们研究了纳米粒子的磁性质和组装动力学对于纳米环形成
的影响。实验中,我们通过控制反应时间调整纳米粒子的磁性质(结晶),结
果发现,在反应时间较短时,具有较差结晶性的纳米粒子依然可以形成纳米环
结构。这意味着纳米粒子的磁性质不会影响纳米环的形成。纳米组装动力学对
于纳米环的形成的影响通过改变反应温度和反应中 PVP 的用量来实现。结果发
现提高温度和增加 PVP 的用量有助于纳米环的形成。这表明,纳米环的形成是
由磁性纳米粒子的组装动力学所决定。在此基础上,通过控制反应条件,我们
初步实现了对于不同尺寸纳米环的可控合成。
3. 以二茂铁( g)和过氧化氢( ml)为原料,以丙酮(30 ml)为溶剂,
在 240 °C 的反应条件下于反应釜中合成了一种以碳包覆超顺磁性氧化铁纳米晶
体簇(190 nm)为基本粒子的磁响应光子晶体。实验中,我们发现,这种核壳
I
摘要
结构的磁响应光子晶体在外加磁场的用下,可以衍射出覆盖整个可见光区域的
颜色。磁响应光子晶体的衍射谱数据表明,其衍射波长与磁场强度存在反比关
系,即磁场越强,衍射波长越短。反之,亦然。同时,磁核表面的碳层提高了
磁响应光子晶体的胶体稳定性,使其在乙醇溶液中密封保存 8 个月以后,依然
可以衍射出与新鲜的粒子一样的颜色以及强度。
通过控制反应中过氧化氢( ml、 ml、 ml、 ml),可以制
备出不同尺寸分布(100 nm、150 nm、200 nm、250 nm)的碳包覆超顺磁性氧
化铁纳米晶体簇。磁响应现象显示,粒子平均尺寸不同,衍射颜色亦有很大差
别。例如:尺寸分布为 100 nm 的粒子只可衍射出蓝色,而尺寸分布为 250 nm
的粒子只可衍射出红色。反射谱的数据也证明了粒子的衍射波长与粒子的尺寸
存在正比关系。通过分散 150 nm 的粒子到不同的溶剂(蒸馏水、无水乙醇,
DMSO、丙酮)之中,我们研究了磁响应光子晶体的溶剂依赖性。结果显示,
溶剂的折射率和极性可以影响磁响应光子晶体的衍射波长和衍射强度。
4. 以二茂铁( g)和过氧化氢( ml)为原料,以丙酮(30 ml)为溶剂,
在 180 °C 的反应条件和外加磁场下于反应釜中合成了一种碳包覆的超顺磁性纳
米链。通过控制反应温度,我们可以得到具有不同链间距的纳米链,分别为 213