碳包覆纳米Fe<,3>O<,4>颗粒的合成与结构研究

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碳包覆纳米金属氧化物材料(CEMONs)是一种新型的纳米碳/金属氧化物复合材料,其中纳米金属氧化物粒子作为核心,数层石墨片层有序地将其紧密围绕,形成核壳结构。由于碳包覆层的存在,可避免内部的纳米粒子受环境影响。针对目前碳包覆金属氧化物纳米材料制备中存在的产物纯度低、步骤复杂、形态结构不易控制和难以大量合成等缺点,本论文采用一种新型制备方法——共热解法,通过芳烃物质和有机金属化合物在中温下的共炭化热解制备CEMONs,该方法具有工艺路线简单、反应条件温和、产物组成均匀、结构易于控制及容易实现大量制备等特点。   本论文主要以间苯二酚为氧源和碳源、以二茂铁为金属源和碳源,采用共热解法制备碳包覆纳米金属氧化物。在详细考察制备工艺参数对CEMONs形成、转化及其形态结构影响的基础上,利用TEM,HREM,XRD,SEM,TG-DSC等测试分析手段研究了材料的形貌和结构,并与制备工艺相关联,实现材料的可控合成;阐明CEMONs的形成机理。   研究结果表明,以间苯二酚和二茂铁为原料,采用共热解法可以大量制备碳包覆纳米Fe3O4颗粒。在450℃的反应温度下,间苯二酚:二茂铁=10.0g:20.0g时,制备出纯度高的、具有明显核壳结构的碳包覆纳米Fe3O4颗粒。在450℃的反应温度下,提高二茂铁的量从50wt.%到75wt.%时,会使碳包覆颗粒内核中金属相从Fe3O4→α-Fe→Fe3C逐渐转变,同时内部压力升高,颗粒变小,包覆层厚度增加。保持间苯二酚和二茂铁比例恒定,随着反应温度的升高从430℃度到495℃度,内核中金属相也呈现Fe3O4→α-Fe→Fe3C转变。   通过原料组成、结构分析和合成工艺参数与产物形貌和结构的关系研究,推断出共热解法形成碳包覆纳米金属氧化物是基于Fe纳米颗粒对含氧芳烃分子的催化作用,以及Fe原子在催化芳香烃过程中与氧基团发生氧化物还原反应,而此过程是基于溶解-析出以及动力学平衡的机制。碳包覆纳米金属氧化物的形成需要两个必要因素:体系中有适当比例的铁纳米原子簇和含氧芳香烃,以及适中的反应活性。
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