MWCNTs單分散負(fù)載CoxNi1-xFe2O4復(fù)合材料的微波可控合成、表征及磁性研究.pdf

1、多壁碳納米管(MWCNTs)因本身具有優(yōu)越的力學(xué)、電學(xué)、光學(xué)、化學(xué)、物理學(xué)性能,使其成為一種理想的制備納米復(fù)合材料的模版。將磁性納米粒子負(fù)載在多壁碳納米管上,所制備的碳基磁性復(fù)合材料擁有新穎的光學(xué)、電化學(xué)與磁學(xué)性能,并且可以阻止納米粒子的團(tuán)聚。近年來,諸多研究者對碳基磁性納米材料產(chǎn)生了很大的興趣,它被廣泛應(yīng)用于磁分離技術(shù)、腫瘤靶向成像與磁性引導(dǎo)藥物輸送、磁共振成像造影劑、催化劑、生物傳感器、信息存儲等領(lǐng)域。尖晶石型鐵氧體(MFe2O4,

2、M=Fe2+, Mn2+, Zn2+, Co2+, Ni2+, Cu2+, Mg2+)是一類性能良好的磁性材料。磁性納米尖晶石型材料在眾多方面擁有廣闊的應(yīng)用前景和重要的應(yīng)用價(jià)值,例如微波吸收、磁流體、催化劑、高密度信息存儲、氣體傳感器、磁引導(dǎo)藥物靶向輸送。在鈷鐵氧體(CoFe2O4)中,選擇用鎳離子(Ni2+)替代部分鈷離子(Co2+),可以改善材料性能,比如氣敏性能、磁晶各向異性、電阻率、介電性等。在制備單分散的納米粒子的方法中,微波

3、加熱具有快速的體加熱、反應(yīng)速率高、粒子尺寸分布窄、均相成核等優(yōu)勢。三乙二醇作為一種反應(yīng)介質(zhì)擁有很高的沸點(diǎn)和大的粘度等特性。它強(qiáng)大的螯合能力使一些無機(jī)物更容易與其形成復(fù)合物,同時(shí)還限制了納米粒子的增長速率,阻止了納米粒子的團(tuán)聚。
　　本工作以MWCNTs為模版,在沒有添加表面活性劑的情況下,使用微波多元醇法合成了尺寸可控和組成可控的多壁碳納米管單分散負(fù)載鈷鎳鐵氧體磁性納米復(fù)合材料。通過XRD、SEM、EDS、TEM、HRTEM、SA

4、ED和VSM表征手段對所得復(fù)合材料進(jìn)行表征;探討了尺寸可控和組成可控的納米復(fù)合材料的磁性能。本工作的主要研究內(nèi)容如下:
　　1.采用微波多元醇法在沒有添加表面活性劑的情況下合成了多壁碳納米管負(fù)載CoNi鐵氧體磁性納米復(fù)合材料;對MWCNTs進(jìn)行了純化,研究了微波功率、微波輻照時(shí)間對CoNi鐵氧體納米粒子單分散負(fù)載在多壁碳納米管上的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:(1)微波時(shí)間為12min,改變微波功率為280W,365W,445W。隨著微波功

5、率的增加,鈷鎳鐵氧體負(fù)載量增多,平均尺寸為6nm的Co0.5Ni0.5Fe2O4納米粒子均勻地分散在MWCNTs表面。但是當(dāng)微波功率增加到445W時(shí),納米粒子之間出現(xiàn)團(tuán)聚。(2)微波功率選擇為365W,改變微波時(shí)間分別為10min,12min,14min。當(dāng)微波時(shí)間低于12min時(shí),很少的納米粒子不均勻地負(fù)載在多壁碳納米管表面。隨著反應(yīng)時(shí)間的增加,納米粒子密實(shí)且單分散負(fù)載在多壁碳納米管(MWCNTs)表面上。然而微波時(shí)間過長時(shí),納米粒子

6、團(tuán)聚現(xiàn)象嚴(yán)重。通過實(shí)驗(yàn)我們找出了最優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)條件:選擇微波功率為365W,微波時(shí)間為12min。
　　2.在沒有添加表面活性劑條件下,微波時(shí)間為12min,微波功率為365W,采用微波多元醇法制備Co0.5Ni0.5Fe2O4/MWCNTs(1％,3%,5%,7%,9%),并研究了摩爾比為3%,5%,7%的納米復(fù)合材料中Co0.5Ni0.5Fe2O4的粒徑。通過 XRD、SEM、EDS、TEM、HRTEM和SAED表征手段對所得復(fù)

7、合材料進(jìn)行表征。表征結(jié)果表明:所制備的復(fù)合材料中的 Co0.5Ni0.5Fe2O4納米粒子是面心立方結(jié)構(gòu)(fcc)。在不同摩爾比(即鈷、鎳硝酸鹽與 MWCNTs的摩爾比)的初始濃度下,當(dāng)摩爾比從3%增加至7%時(shí),Co0.5Ni0.5Fe2O4納米粒子的尺寸約從6.0nm增大至9.4nm,實(shí)現(xiàn)了對Co0.5Ni0.5Fe2O4納米粒子的尺寸可控。
　　3.在沒有添加表面活性劑條件下,選擇最優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件,采用微波多元醇法制備組成可控的

8、CoxNi1-xFe2O4/MWCNTs(x=0,0.2,0.4,0.5,0.6,0.8,1)納米磁性復(fù)合材料。通過XRD、SEM、EDS、TEM、HRTEM和SAED表征手段對所得復(fù)合材料進(jìn)行表征。表征結(jié)果表明:面心立方結(jié)構(gòu)(fcc)的 CoxNi1-xFe2O4納米粒子單分散在多壁碳納米管表面,粒子近似呈球形,平均納米粒子尺寸為6nm,無團(tuán)聚現(xiàn)象。EDS表征結(jié)果顯示,通過調(diào)節(jié)混合硝酸鹽溶液中的鈷、鎳硝酸鹽溶液的摩爾比來控制CoxNi

9、1-xFe2O4的組成,可以實(shí)現(xiàn)組成可控合成。
　　4.在室溫下采用 VSM對尺寸可控的 Co0.5Ni0.5Fe2O4/MWCNTs(3%,5%,7%)納米復(fù)合材料和組成可控的CoxNi1-xFe2O4/MWCNTs(x=0,0.2,0.4,0.5,0.6,0.8,1)納米復(fù)合材料進(jìn)行磁性表征。結(jié)果顯示:(1)在尺寸可控的 Co0.5Ni0.5Fe2O4/MWCNTs(3%,5%,7%)納米復(fù)合材料中,隨著鈷、鎳硝酸鹽與MWCN

10、Ts摩爾比的增加, Co0.5Ni0.5Fe2O4納米粒子的粒徑在單疇尺寸范圍內(nèi)逐漸增大,Ms也隨之增大,矯頑力 Hc數(shù)值非常小,可忽略不計(jì),在室溫下, Co0.5Ni0.5Fe2O4/MWCNTs(3%,5%,7%)納米復(fù)合材料展現(xiàn)出超順磁性。(2)組成可控的CoxNi1-xFe2O4/MWCNTs(x=0,0.2,0.4,0.5,0.6,0.8,1)納米復(fù)合材料的磁性受組成的影響,隨鈷鎳鐵氧體中鈷含量的增加,飽和磁化強(qiáng)度(Ms)從1