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三氧化二铁和四氧化三铁是两种重要的功能材料,它们的物理化学特性可以通过尺寸和形貌进行调控。二者之间还可以通过在不同气氛下进行热处理而发生结构的相互转变。同时,它们在生物医学、气体传感、光催化、电化学储能、磁性存储等方面都有极其重要的应用。然而,单一材料已经不能满足它们在实际中的应用。因此,人们发展多种方法来制备复合材料,使之具有多功能特性,从而拓展其应用领域。本论文主要针对三氧化二铁纳米复合材料,研究其结构转变和相应的物理特性。
通过液相方法制备了α-Fe2O3/ZnO核壳纳米棒,研究其乙醇气敏特性。发现它们与纯α-Fe2O3纳米棒相比,表现出了增强的气敏特性。根据半导体能带理论给出了其增强的气敏机理;在氢气气氛下,进行热处理α-Fe2O3/ZnO核壳纳米棒可以转变为Fe3O4/ZnO核壳纳米棒。由于结构转变后的Fe3O4/ZnO核壳纳米棒呈铁磁性,二者存在异质结界面,ZnO壳层在纳米量级,导致它们具有较强的电磁响应特性,可以用来吸收高频电磁波。同时,对其相关机理进行了分析。
利用两种前驱物,通过液相方法制备了α-Fe2O3/SnO2核壳纳米结构。其中,以β-FeOOH纳米棒为前驱物制备的核壳纳米结构中的SnO2厚度在10 nm左右,且核壳结合的较为紧密,它们之间可以形成异质结,导致它们具有较高的乙醇气敏特性;而以α-Fe2O3纳米棒为前驱物制备的核壳纳米结构,核壳之间存在一定空隙,不能形成异质结。因此,它们的气敏特性没有较大提高。通过在氢气气氛下热处理,将以β-FeOOH纳米棒为前驱物制备的α-Fe2O3/SnO2核壳纳米结构转变为多孔Fe3O4/SnO2核壳纳米结构;并研究其电磁响应特性。此外,利用液相方法制备了SnO2/α-Fe2O3分级纳米结构,这种纳米结构的特征是,SnO2纳米棒分成几列平行生长在α-Fe2O3纳米棒上。改变不同合成工艺讨论了它们的生长机理,对其气敏特性也进行了研究。
以α-Fe2O3纳米棒为前驱物,利用硫酸钛水解方法制备了Fe2O3/TiO2核壳纳米棒。研究了它们在不同温度下的结构转变情况,并对其乙醇气敏特性进行了研究,发现了它们不同于其他氧化物异质结纳米结构的气敏行为,并根据半导体异质结理论给出了相应的气敏机理。另外,发现在较高温度下(如800-1000℃),在空气中将Fe2O3/TiO2纳米复合结构退火可成功制备出Fe2TiO5三元组分纳米材料。最后,研究了Fe3O4/TiO2核壳纳米结构的电磁响应特性。发现了TiO2壳层的存在具有降低磁性材料在高频电磁波下的涡流效应的作用,从而为磁性材料在电磁波吸收领域的应用提供了实现途径。