磁性氧化铁纳米颗粒的制备、掺杂及包覆研究

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纳米形态的Fe3O4除了具有纳米材料特殊的性质外,还以其独特的磁学性能,成为近些年来的研究热点。已经广泛的应用于生物医药、吸波材料、磁流体、磁记录材料等领域。本文利用化学共沉淀法,成功制备出了Fe3O4纳米颗粒,并引入Co、Zn离子对其进行掺杂,还成功的利用溶胶凝胶法实现了对磁性纳米颗粒的SiO2包覆,磁核可以是α/γ-Fe2O3或Fe。利用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、X射线衍射仪(XRD)、拉曼光谱、综合物性测量系统(PPMS)对产物的形貌、物相、磁学性能进行了表征。分析了制备过程中的实验参数对产物性能的影响。结果表明:一、Fe3O4纳米颗粒的制备与表征。利用化学共沉淀法,在反应温度为40℃,反应时间为15min,熟化温度为75℃,熟化时间为15min的条件下,成功制备出了颗粒尺寸为10nm,团聚较轻的Fe3O4纳米颗粒,产物在室温下显示超顺磁性,饱和磁化强度达到了65.4emu/g。并研究了不同熟化时间对产物形貌和性能的影响,结果表明,随着熟化时间的不断增加,颗粒尺寸出现先增加后减小的情况,这是由于长时间的高温熟化导致溶剂含量的大量减少,该异常情况与溶剂中乙醇含量较高且易挥发有联系。二、Co-Zn掺杂Fe3O4纳米颗粒的制备和表征。利用化学共沉淀法,在与制备纯Fe3O4纳米颗粒相同的实验条件下,比较了引入Co、Zn离子后对产物形貌和磁学性能的影响,结果表明,与纯Fe3O4相比,(1)只引入Co离子对Fe3O4进行掺杂时,在完全相同的实验条件下,相较于制备出的纯Fe3O4纳米颗粒,产物发生了较为严重的团聚,且颗粒尺寸随着反应温度和熟化时间的增加而增加,在反应温度为60℃、反应时间为15min、熟化温度为75℃、熟化时间为1h时,制备出的Co掺杂Fe3O4纳米颗粒的形貌和磁化性能较为良好,颗粒尺寸约62nm,饱和磁化强度达到了73emu/g。(2)只引入Zn离子对Fe3O4进行掺杂时,制备出的产物形貌较为理想,颗粒之间分界较为清晰,在反应温度为40℃、反应时间为15min、熟化温度为75℃、熟化时间为15min时,制备出的Zn掺杂Fe3O4纳米颗粒的形貌和磁化性能较为良好,颗粒尺寸约35nm,饱和磁化强度达到了66emu/g。(3)同时引入Co、Zn离子后,产物的颗粒尺寸明显增加,在75~300nm之间,饱和磁化强度略有提升,约69.6emu/g。三、溶胶凝胶法对磁性纳米颗粒的SiO2包覆。采用溶胶凝胶法,对干凝胶先在空气中低温处理,使之有剩余的未反应完全的碳,再高温无氧煅烧,利用碳提供的还原气氛,将制备出的α-Fe2O3@SiO2还原成γ-Fe2O3@SiO2或者Fe@SiO2。实验结果表明:制备出的Fe@SiO2磁性复合颗粒的尺寸在100nm~150nm之间,形貌近似球形,包覆的SiO2层厚度~20nm,饱和磁化强度最高达到了10.8emu/g,室温下显示超顺磁性;制备出的γ-Fe2O3@SiO2磁性复合纳米颗粒尺寸~120nm,形貌近似球形,饱和磁化强度最高达到了21.1emu/g,并对其反应过程和机理进行了初步的研究分析。
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