Fe3O4磁性纳米复合材料的制备与催化性能研究

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本文主要使用不同的方法分别制备Au-Fe3O4、Cu-Fe3O4、小尺寸Fe3O4磁性纳米颗粒。旨在制备一种可回收的高效的催化剂。用来作为还原对硝基苯酚的应用中的催化剂。第一,我们分别自制了Au NPs(nanoparticles,纳米颗粒)和Fe3O4纳米微球,并使用螯合剂通过超声将两者螯合,制备了Au-Fe3O4磁性纳米催化剂。主要成果如下:(1)在使用前先将催化剂在硼氢化钠溶液中浸泡一段时间,可以大大提高催化剂的催化性能。浸泡时间越长,催化性能的提升越明显。这是本文中最重要的创新点和发现。(2)改变Au的负载量制备了不同的Au负载量的样品。Au负载量未过量时,Fe3O4微球表面的Au纳米颗粒分散良好,不产生团聚。Au NPs作为有效催化组分,催化效果与Au负载量成正比。当Au负载量过量时,Fe3O4微球表面的Au纳米颗粒出现严重的团聚现象,导致催化效果受到影响,催化速率下降。当Au负载量为3mL时,达到最佳催化性能。3mL-Au-Fe3O4催化剂的表观速率常数k为13.8208 min-1。(3)制得的Au-Fe3O4催化剂的饱和磁化强度(Ms)均在67 emu/g以上,通过外部磁场可以对催化剂做到有效且快速的分离。3mL-Au-Fe3O4催化剂进行了连续八次重复催化试验,都未发现催化性能的明显下降,且转化率一直大于98%。证明该催化剂的催化性能好,可方便回收,有效使用时间长。第二,我们采用“一锅煮”的水热法直接合成了Cu-Fe3O4磁性纳米催化剂。主要成果如下:(1)通过改变制备时硝酸铜的添加量成功调控了Cu-Fe3O4催化剂中Cu的负载量。Cu元素的引入成功地取代了Au的催化作用,甚至有了不小的提升。(2)催化性能与Cu的负载量成正比,Cu1.0-Fe3O4催化剂的催化性能最佳。Cu1.0-Fe3O4的表观速率常数k=57.7646 min-1,比3mL-Au-Fe3O4催化剂要高出四倍。(3)制得的Cu-Fe3O4的饱和磁化强度有一定程度的降低,最低的仅有28emu/g,但仍然足以做到有效的磁分离回收并且再利用。并且循环使用八次催化性能都无明显的降低,转化率高于98%。第三,我们使用热分解法,制备了小尺寸Fe3O4纳米颗粒。通过对形貌的观察,我们推导了小尺寸Fe3O4纳米小颗粒的生长机理:一开始,所有的纳米颗粒依次成核并长大。当前驱物中的铁源消耗完后,小尺寸Fe3O4纳米颗粒的继续生长是依赖于大尺寸Fe3O4纳米颗粒的再溶解。最后,所有的Fe3O4纳米颗粒的尺寸都趋向于10-20nm的范围,平均粒径稳定在13.5nm左右。
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