造影铁磁性金属、铁氧体与其复合物合成和运用

摘要：磁性纳米粒子引起各领域的探讨人员的极大兴趣，包括磁流体，催化，生物技术/生物医学，磁共振成像，数据存储，和环境治理等广泛领域。大量文献已报道磁性纳米颗粒的合成、保护、功能化和运用，以及纳米系统的磁特性。然而，这些纳米材料由于其体积小，容易聚集在一起；因为表面活性使它们变得不稳定，并具有粒度分布较宽等缺点。由此有必要探讨获得窄的粒度分布、小尺寸和稳定分散的磁性纳米粒子。磁性纳米粒子的另一个潜在的运用是利用它们作为有机染料和无机材料去除剂，由于它们具有磁性，在外磁场作用下可以快速回收，并且可以重复利用。本论文探讨了铁磁性金属、铁氧体材料的合成及其运用。主要内容如下七部分：一、采取水热法合成了MFe_2O_4(M=Mn, Fe, Co, Ni)铁氧体纳米晶体，并比较了它们对刚果红（CR）的吸附能力。首次全面的比较和浅析尖晶石铁氧体纳米晶体对CR的吸附能力。探讨表明，MFe_2O_4铁氧体的阳离子分布是决定其吸附能力最重要的因素。静电吸附是主要的吸附机制。MFe_2O_4纳米粒子体现出显著的铁磁行为，在磁场作用下能以废水中进行高效磁分离。此外，可以用丙酮作为负载了CR的MFe_2O_4纳米粒子的脱附剂。所有的尖晶石铁氧体纳米晶具有良好的软磁性能，特别是CoFe_2O_4纳米晶具有最高的饱和磁化强度（86.1emu·g~(-1)）和最高的CR吸附能力。由Langmuir等温模型计算出，CoFe_2O_4对CR的最大吸附能力为244.5mg·g~(-1)。二、为了提升磁铁矿对CR的吸附能力，进行了掺入镧离子的探讨。探讨了纳米晶Fe_(3-x)La_xO_4(x=0,0.01,0.05,0.10)铁氧体对溶液中CR的移除能力。与未掺杂磁铁矿相比，掺杂La~(3+)离子后吸附能力以37.4mg·g~(-1)提升到79.1mg·g~(-1)。实验结果表明，掺杂La~(3+)离子对提升磁铁矿的吸附能力是有效的。在La~(3+)掺杂的磁铁矿中Fe_(2.95)La_(0.05)O_4具有最高的饱和磁化强度和吸附能力。Fe_(3-x)La_xO_4负载CR后，可以利用丙酮进行脱附，脱附率可达92%。此外，Fe_(3-x)La_xO_4具有铁磁性，在外磁场作用下可以以污水中进行高效磁分离。探讨发现高的磁性能有利于同类产物吸附能力的提升。三、利用低温水热法合成了α-Fe/Fe_3O_4纳米复合物。通过透射电镜（TEM）和高分辨透射电镜（HRTEM）浅析发现α-Fe/Fe_3O_4纳米复合物是由链状的α-Fe和薄片状的Fe_3O_4构成的。α-Fe在α-Fe/Fe_3O_4纳米复合物中的重量比为35.6%。α-Fe/Fe_3O_4纳米复合物对于污水中的CR具有非常高的移除能力，在三分钟内几乎能全部去除溶液中CR。对于初始浓度为100mg·L~(-1)的CR溶液，最大移除能力可达1297.06mg·g~(-1)。α-Fe/Fe_3O_4纳米粒子具有高的饱和磁化强度(80.5emu·g~(-1))，使得在负载了CR后能够快速的以悬浮液中进行磁分离。由于在CR的去除历程中同时包括吸附和还原反应作用，纳米复合物的协同作用有利于增强对CR的移除能力。通过可见紫外吸收光谱（UV–Vis），X射线衍射（XRD）和红外吸收光谱（FTIR）对降解产物的浅析，提出了α-Fe/Fe_3O_4复合物对CR移除的可能降解机制。利用α-Fe/Fe_3O_4纳米复合物可以减少处理时间、高效的移除污水中的染料，同时其合成策略简单、低成本和无污染。四、通过转变联氨的剂量采取溶剂热法合成了hcp/fcc混合结构钴和hcp结构的钴，同时探讨了晶体结构对它们的磁性能和对CR移除能力的影响。这是首次报道利用微米和亚微米级钴晶体移除CR，混合结构的钴对CR的移除能力可达694.4mg·g~(-1)。通过高分辨透射电子显微镜可以清晰的观察到hcp/fcc混合结构钴的混合程度。此外，Co晶体的饱和磁化强度(Ms)随着hcp相的增加而增加，它的矫顽力(Hc)随着hcp相的增加而减少。混合程度最大的Co晶体具有最高的移除CR的能力。微米和亚微米级Co晶体在吸附CR后能够很容易进行磁分离。五、利用水热法合成了水溶性的Fe_3O_4纳米粒子，它在水溶液中具有高的溶解度(28mg·mL~1)和稳定性（至少有着一个月）。水溶性Fe_3O_4对Pb~(2+)和Cr~(6+)的移除能力高于非水溶性的Fe_3O_4。水溶性Fe_3O_4NPs具有高的饱和磁化强度(83.4emu·g~(-1))，有利于污水处理历程中的高效分离。水溶性的磁铁矿作为吸附剂，在无机械搅拌或任何外部力量的帮助下可直接溶解于水，这解决了在污水净化领域的磁性粉末的实际运用中的一个关键不足。水溶性Fe_3O_4NPs在两分钟内可以移除90%的浓度为10ppm的Pb~(2+)。六、利用简单的一壶水热反应法合成钴/石墨烯纳米复合物的策略。利用NaBH_4作为还原剂。制备的Co/G纳米复合物具有窄的尺寸分布和好的分散性，在能量存储和环境运用方面有运用前景。将Co/G纳米复合物分别运用于锂离子电池和去除CR的吸附剂。Co/G纳米复合物电极经过50次循环后，库伦效率超过97%，说明它具有高的充放电可逆性。Co/G纳米复合物作为CR的吸附剂，移除能力达934.9mg·g~(-1)。七、探讨一步法合成水溶性的Fe_3O_4/石墨烯纳米复合物，此策略是利用氧化石墨烯还原生成石墨烯，Fe_3O_4纳米粒子均匀的嵌在石墨烯片上。Fe_3O_4/石墨烯纳米复合物用作磁共振T2造影剂，显示出高效的增强效果。关键词：铁磁性论文铁氧体论文纳米材料论文吸附论文污水处理论文锂离子电池论文造影剂论文

摘要4-10

Abstract10-26

第1章 绪论26-70

1.1 磁性纳米材料概述27-40

1.1.1 磁性纳米材料的分类28-36

1.1.2 磁性材料的磁性参数36-40

1.2 磁性纳米材料的合成策略40-53

1.2.1 水/溶剂热法(Hydrothermal method/ Solvothermal method)42-45

1.2.2 沉淀法(Co-precipitation)45-48

1.2.3 溶胶—凝胶法 (Sol - gel method)48-49

1.2.4 微乳液法（Microemulsion method）49-50

1.2.5 热分解法（Thermo Decomposition）50-53

1.3 磁性纳米材料的运用53-65

1.3.1 磁性纳米材料在污水处理的运用53-58

1.3.2 磁性纳米材料在电化学方面的运用58-61

1.3.3 磁性纳米材料在磁共振成像（MRI）方面的运用61-65

1.4 本论文探讨目的与探讨内容65-70

第2章 几种磁性材料制备及对刚果红的吸附性能探讨70-126

2.1 引言70-72

2.2 实验原料及策略72-75

2.2.1 实验原料及仪器设备72-74

2.2.2 样品测试参数74

2.2.3 吸附实验策略74-75

2.3 MFe_2O_4(M= Mn, Fe, Co, Ni)的制备及对刚果红的吸附性能探讨75-88

2.3.1 纳米晶 MFe_2O_4(M= Mn, Fe, Co, Ni) 的制备75-77

2.3.2 纳米晶 MFe_2O_4(M= Mn, Fe, Co, Ni) 的表征77-79

2.3.3 纳米晶体 MFe_2O_4对刚果红的吸附性能探讨79-82

2.3.4 吸附等温线82-84

2.3.5 吸附动力学84-85

2.3.6 吸附热力学85-86

2.3.7 相同结构的 MFe_2O_4具有不同吸附能力的理由浅析86-87

2.3.8 MFe_2O_4铁氧体的解吸附探讨87-88

2.3.9 MFe_2O_4铁氧体的吸附能力评价88

2.4 纳米晶体 Fe_(3-x)La_xO_4的制备及对刚果红的吸附性能探讨88-98

2.4.1 纳米晶体 Fe_(3-x)La_xO_4的制备88-89

2.4.2 纳米晶体 Fe_(3-x)La_xO_4的表征89-90

2.4.3 La3+掺杂量对磁铁矿吸附 CR 的影响90-92

2.4.4 初始浓度和接触时间对吸附的影响92-93

2.4.5 吸附等温线探讨93-94

2.4.6 吸附动力学探讨94-96

2.4.7 解吸附探讨96-97

2.4.8 Fe_(3-x)La_xO_4的磁性能97-98

2.5 α-Fe/Fe_3O_4纳米复合物的制备及对刚果红的吸附性能探讨98-112

2.5.1 α-Fe/Fe_3O_4纳米复合物的制备99-100

2.5.2 α-Fe/Fe_3O_4纳米复合物的表征100-104

2.5.3 α-Fe/Fe_3O_4纳米复合物的形成机制104-105

2.5.4 α-Fe/Fe_3O_4纳米复合物的磁性能探讨105-106

2.5.5 α-Fe/Fe_3O_4纳米复合物对刚果红的移除能力106-107

2.5.6 α-Fe/Fe_3O_4纳米复合物对 CR 的移除机理107-112

2.6 hcp-Co 和 hcp/fcc-Co 混合结构的制备及对刚果红的吸附性能112-122

2.6.1 hcp-Co 和 hcp/fcc-Co 混合结构的制备113

2.6.2 结构浅析113-118

2.6.3 形貌和磁性能浅析118-119

2.6.4 hcp-Co 和 hcp/fcc-Co 混合结构对 CR 的移除能力119-122

2.7 本章小结122-126

第3章 水溶性 Fe_3O_4制备及其对重金属离子吸附性能探讨126-142

3.1 引言126-128

3.2 实验原料及策略128-131

3.2.1 实验原料及设备128-129

3.2.2 水溶性和非水溶性的 Fe_3O_4纳米粒子制备策略129-130

3.2.3 吸附实验策略130-131

3.3 Fe_3O_4纳米粒子的表征131-136

3.4 Fe_3O_4纳米粒子在重金属离子废水处理中的运用136-141

3.4.1 移除 Pb~(2+)136

3.4.2 移除 Pb~(2+) 的吸附等温线136-138

3.4.3 移除 Pb~(2+) 的吸附动力学探讨138-139

3.4.4 移除 Cr~(6+)139

3.4.5 移除重金属离子机制139-140

3.4.6 移除重金属离子能力评价140-141

3.5 本章小结141-142

第4章 钴/石墨烯纳米复合材料的制备及其电化学性能探讨142-162

4.1 引言142-145

4.2 实验原料及策略145-149

4.2.1 实验原料及仪器设备145-146

4.2.2 钴/石墨烯纳米复合材料制备146-148

4.2.3 电化学测试策略148-149

4.3 钴/石墨烯纳米复合材料的表征149-153

4.4 钴/石墨烯纳米复合物电化学性能探讨153-158

4.5 钴/石墨烯纳米复合物对刚果红的移除性能探讨158-161

4.6 本章小结161-162

第5章 水溶性 Fe_3O_4/石墨烯复合物的制备及其磁共振造影剂运用探讨89162-172

5.1 引言162-163

5.2 实验原料及策略163-164

5.2.1 实验原料及仪器设备163

5.2.2 Fe_3O_4/石墨烯纳米复合材料制备163-164

5.2.3 材料表征策略164

5.3 结果和讨论164-170

5.4 本章小结170-172

第6章 主要结论172-176