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铁钴镍基二元合金微纳米结构的控制合成、磁学及催化性能

2020-12-14阅读(268)

铁钴镍基二元合金微纳米结构的控制合成、磁学及催化性能

论文摘要

磁性合金材料作为一类重要的功能材料,引起了科学家的广泛关注,并在很多领域得到广泛的应用,如:磁流体、催化、生物科技和生物医药、磁共振成像、数据存储、环境治理等领域。而纳米材料的性能常常受其尺寸、形貌和组成的影响,因此,可控制合成磁性微纳米材料与性能研究成为了化学和材料学研究的重要领域之一。本论文旨在发展不同的合成方法制备具有不同形貌、尺寸和组成的铁钴镍基二元合金微纳米材料,同时,对其形成机理、相关磁学性能和在对硝基苯酚还原反应中的催化应用进行了研究。主要内容如下:1、利用液相还原法,在乙醇体系中,在表面活性剂CTAB的辅助下,成功获得了尺寸均一、单分散的三维枝茎状微结构NiCo2合金晶体。通过调节不同的实验参数实现磁性NiCo合金形貌、尺寸和组成的控制合成,同时,研究了枝茎状NiCo2合金微结构的形成机理。另外,我们还分别采用水热法、溶剂热法获得了NiCo2合金球状和花状微结构。室温磁性数据显示,NiCo2合金枝茎状、球状和花状微结构都是铁磁性的。Ni33.8Co66.2枝晶的饱和磁化强度（163.55 emu/g）比Ni32.3Co67.7球状（212.29 emu/g）和Ni33.2Co66.8花状（195.79 emu/g）微结构的饱和磁化强度要低,但是与其他两种微结构相比,Ni33.8Co66.2枝晶结构具有较高的矫顽力。在硼氢化钠的作用下,不同形貌的NiCo2合金微结构(Ni33.8Co66.2枝茎状、Ni33.2Co66.8花状和Ni32.3Co67.7球状)可作为循环利用的非均向催化剂应用于催化还原对硝基苯酚获得对氨基苯酚。通过三种不同温度下的催化速率常数,我们获得了三种不同形貌的NiCo2合金微结构催化剂的表观活化能（Ea）、表观熵变（ΔS）和表观指前因子（A）。动力学数据显示,由于比表面积大小的缘故(Ni33.8Co66.2枝晶、Ni33.2Co66.8花状和Ni32.3Co67.7球状微结构的比表面积分别为:32.68 m2/g、20.66 m2/g、3.65 m2/g。),Ni33.8Co66.2枝晶具有比Ni33.2Co66.8花状和Ni32.3Co67.7球状微结构更高的催化活性。2、采用溶剂热法,在多元醇体系中,实现了对镍基金属（Ni和FeNi合金）纳米结构形貌的控制合成。通过调节不同的实验参数,如:反应时间、氢氧化钠的用量、反应温度、溶剂类型以及起始的金属离子浓度等,实现了对磁性FeNi合金纳米结构的控制合成,同时,我们通过改变溶剂类型,获得了Ni的链状结构和花状结构,并简单探讨了链状Ni纳米结构的形成机理。室温磁性数据表明,所获得的Ni和FeNi2合金纳米粒子都是铁磁性的。尺寸为300 nm的球状Fe34.8Ni65.2合金的饱和磁化强度（174.62 emu/g）与尺寸为230 nm的Fe34.1Ni65.9合金（166.71 emu/g）和170 nm的球状Fe33.5Ni66.5合金（160.05 emu/g）相比,具有更高的饱和磁化强度,但是尺寸为170 nm的球状Fe33.5Ni66.5合金具有较大的矫顽力。链状Ni纳米结构的饱和磁化强度（68.3 emu/g）比花状Ni纳米结构的饱和磁化强度（84.9 emu/g）要小一些,然而他们的饱和磁化强度都比块体的Ni（55 emu/g）的要大。尤其是花状Ni纳米结构的矫顽力（204.81 Oe）,与文献报道的相比,有较大的提高。最后,在水溶液中,我们将三种不同尺寸的FeNi2合金纳米球在硼氢化钠的作用下,催化还原对硝基苯酚获得对氨基苯酚,并获得了它们的催化速率常数。从催化动力学数据看出,尺寸约为170 nm的球状Fe33.5Ni66.5合金比尺寸约为230 nm的球状Fe34.1Ni65.9合金和尺寸约为300 nm的球状Fe34.8Ni65.1合金具有更高的催化活性,其可能原因归因于其较小的尺寸而导致具有具有较大的比表面积。3、采用超声辅助液相还原法,在水体系中,不使用任何表面活性剂,以三氯化铁为廉价铁源,实现了尺寸在6-12 nm的铁钴合金（Fe59Co41和Fe37Co63）纳米粒子的可控合成。在这里,我们建立了一种简单、低成本的制备铁钴合金的新途径。通过调节不同的实验参数,如:反应温度、金属离子的总浓度、Fe3+/Co2+的比例等,实现了磁性FeCo合金纳米结构的尺寸和组成的控制合成。所获得的FeCo合金(Fe59Co41和Fe37Co63)纳米晶具有软磁行为,而且Fe59Co41合金纳米晶的饱和磁化强度高达216.2 emu/g,可以和块体的Fe和Fe60Co40合金的饱和磁化强度相比拟。该高饱和磁化强度的Fe59Co41合金纳米晶在催化、生物科技和磁性记录材料等领域具有潜在的应用价值。4、通过简单的两步法,采用水合肼作为还原剂,成功实现了金属/石墨烯（Ni/r-graphene、Co/r-graphene和Cu/r-graphene）和合金/石墨烯（NiCo/r-graphene、FeCo/r-graphene、FeNi/r-graphene、CoCu/r-graphene和NiCu/r-graphene）复合材料的制备,并采用SEM、XRD、TEM、HRTEM、EDX、ICP等手段进行表征,所获得的金属或合金纳米粒子都能比较均匀的分布在石墨烯的表面,体现出该制备方法的有效性和广泛适用性。实验结果表明反应时间、加料方式、反应物离子的浓度以及石墨烯的表面修饰等对样品的负载密度和负载效果有较大的影响。基于以上实验结果,我们可以获得制备金属或合金与石墨烯复合材料的形成机理。室温磁学性能测试显示在该体系中所获得的磁性纳米粒子与石墨烯的复合材料提高了磁性纳米粒子的磁学性能,同等条件下,饱和磁化强度或矫顽力有一定的提高。这为我们进一步研究它们的磁学性能、催化应用、生物科技应用以及数据存储等领域奠定了一定的基础。最后,我们还选取了五种催化剂（三种不同负载密度的Ni/r-graphene复合材料、还原的石墨烯、Ni纳米粒子以及Ni纳米粒子和还原的石墨烯的混合物）用于对硝基苯酚的催化还原中,且都体现出了一定的催化效果,它们的催化速率常数分别为:三种不同负载密度的Ni/r-graphene复合材料的速率常数分别为5.82×10-3 S-1（S1）、4.63×10-3 S-1（S2）、4.95×10-3 S-1（S3）;还原的石墨烯的催化速率常数为2.60×10-3 S-1;单质Ni纳米粒子的催化速率常数为3.50×10-3 S-1;Ni纳米粒子与还原的石墨烯的混合物的催化速率常数为4.15×10-3 S-1。值得一提的是,还原的石墨烯也体现出了良好的催化效果,值得我们进一步的优化进而提高还原的石墨烯的催化效率和速度,有望将来用于工业催化当中,这将大大降低生产成本。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 第一章 绪言
  • 1.1 引言
  • 1.1.1 液相还原法
  • 1.1.2 水热/溶剂热法
  • 1.1.3 超声化学合成法
  • 1.2 论文选题意义及论文设想
  • 1.2.1 论文选题目的及意义
  • 1.2.2 论文研究内容
  • 参考文献
  • 第二章 镍钴合金磁性微纳米合金材料的制备及其催化应用研究
  • 2.1 引言
  • 2.2 实验部分
  • 2.2.1 试剂与仪器
  • 2.2.2 样品制备
  • 2.2.3 样品表征
  • 2.3 结果与讨论
  • 2枝茎样品的形貌和结构分析'>2.3.1 NiCo2枝茎样品的形貌和结构分析
  • 33.4Co66.6合金结构的分析'>2.3.2 花状Ni33.4Co66.6合金结构的分析
  • 32.3Co67.7合金结构的分析'>2.3.3 球状Ni32.3Co67.7合金结构的分析
  • 2合金微结构的磁学性能'>2.3.4 不同形貌的NiCo2合金微结构的磁学性能
  • 2.4 不同形貌的镍钴合金在对硝基苯酚催化中的应用
  • 2.4.1 催化实验
  • 2.4.2 催化可行性分析以及催化过程的跟踪
  • 2.4.3 催化结果与讨论
  • 2.5 本章小结
  • 参考文献
  • 第三章 高饱和磁化强度的镍基金属材料的溶剂热合成及其催化性能研究
  • 3.1 引言
  • 3.2 实验部分
  • 3.2.1 试剂和仪器
  • 3.2.2 镍基金属的制备
  • 3.2.3 样品的表征
  • 3.2.4 催化性能
  • 3.3 结果与讨论
  • 3.3.1 FeNi 合金纳米结构的控制合成
  • 3.3.2 镍纳米结构的表征
  • 3.3.3 Fe-Ni 和Ni 纳米材料的磁学性能
  • 3.3.4 不同尺寸的Fe-Ni 合金的催化性能
  • 3.4 本章小结
  • 参考文献
  • 第四章 超声法合成高饱和磁化强度的铁钴合金纳米晶
  • 4.1 引言
  • 4.2 实验部分
  • 4.2.1 试剂和仪器
  • 4.2.2 Fe-Co 合金的制备
  • 4.2.3 样品的表征
  • 4.3 结果与讨论
  • 4.3.1 Fe-Co 合金的合成和结构分析
  • 4.3.2 样品的室温磁性能分析
  • 4.4 本章小结
  • 参考文献
  • 第五章 石墨烯复合磁性材料的合成、形成机理及其磁学性能
  • 5.1 引言
  • 5.2 实验部分
  • 5.2.1 试剂与仪器
  • 5.2.2 样品制备
  • 5.2.3 催化性能
  • 5.2.4 样品表征
  • 5.3 结果与讨论
  • 5.3.1 Ni 纳米粒子和Ni/r-graphene 样品的结构和形貌分析
  • 5.3.2 磁性金属及合金/石墨烯复合纳米材料的磁学性能
  • 5.3.3 不同负载密度的Ni/r-graphene 复合材料在对硝基苯酚还原中的应用
  • 5.4 本章小节
  • 参考文献
  • 第六章 全文总结与展望
  • 6.1 结论
  • 6.2 展望
  • 科研成果及所获奖励
  • 致谢

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