Fe,3O,4一维链状结构的制备及相关问题研究

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1、摘要摘要本论文研究了超临界二氧化碳(C02)体系下Fe304一维链的形成及其相关性质。我们以O．259-"茂铁、0．759聚乙烯吡咯烷酮(PVPK90)和12．09-氧化碳为原料，在450℃加热800分钟，成功制备了非晶碳层包裹的Fe304一维有序链状结构。链状结构由一定数量的Fe304纳米粒子组装而成，粒径为40．120nm，在单磁畴尺寸范围内，且相邻粒子之间具有相同的间距。磁测量显示Fe304一维链在室温表现出铁磁性质，较高的矫顽力H。值(141Oe)反映了Fe304纳米粒子之间很强的铁磁关联。实验发现通过改变反应物的量、反应温度和反

2、应时长等条件，可以在一定范同内调节纳米结构的形貌和结晶程度。在此基础上，我们探讨了这种非晶碳包裹的Fe304一维链状结构的生长机理。我们合成的链状结构与趋磁细菌体内磁小体链具有非常类似的结构和性质，因此对于理解生物体内磁性链的形成机制具有一定的参考价值。在合成了非晶碳包裹的Fe304一维链的基础上，为了进一步理解纳米尺度下的化学反应机理，我们研究YFe304纳米粒子在非晶碳纳米管中的化学反应。包裹在非晶碳纳米管中的Fe304纳米粒子在低于5000C的温度下就能被部分还原为单质Fe，而非晶碳纳米管则在这个过程晶化，还原出的Fe与未被还原的F

3、e304粒子分散在碳管中。在研究非晶碳包裹的Fe304一维链与盐酸的化学反应中，通过对反应过程中溶液中Fe离子浓度变化的检测来研究在碳纳米管中发生的化学反应与常规反应器中的区别。对反应后所剩的固态产物进行X射线衍射及电子显微分析发现，原始粒子链状结构中的Fe304粒子与盐酸完全反应后留下空位，使得最终产物为大量的空心竹节状碳管。通过对Fe离子浓度的变化及电镜结果的分析，我们发现一是通过管壁以及端口同时进行扩散的，由于非晶碳管的阻碍，使得反应速率比体相Fe304与盐酸的反应速率要慢，然而在H+扩散进入碳管内部纳米反应器后，发生的反应却是十分

4、迅速的，研究结果表明与宏观体系下Fe304与盐酸的反应是不同的。这为研究局域体系下的化学反应提供了信息，并对设计纳米反应器和合成新型纳米材料有所帮助。关键词：Fe304一维有序链磁性质纳米反应器IIIABSTRACTTheobjectiveofthisthesisiStoinvestigatetheformationofone。dimensionalFe304nanochainsinsupercriticalC02．ThechainswithFe304nanoparticlesorderlyarrangedweresynthesizedb

5、ypyrolysisofferroceneandpolyvinylpyrrolidoneinsupercriticalC02at450。C．TheaveragediameterofFe304nanoparticlesarearound40—120am(withinsingledomainsize)，withnearlyidenticalgapsbetweeneverytwoadjacentnanoparticles．Thesyntheticchainsshowferromagneticproperty，andtherelativelyhi

6、ghcoerciveforcevalueHc(141Oe)revealsstrongmagneticinteractionsbetweenFe304nanoparticles．Byusingthesamerawmaterialswithdifferentratioandreactionconditions，themorphologiesandcrystallizationofnanostructurescanbetuned．Basedonthecontrastiveexperimentresults，weproposedthepossib

7、legrowthmechanismofthespecialFe304nanochainscoatingwithamorphouscarbonlayer．Thesyntheticchainshavenearlythesamepropertieswithmagnetosomechainsinmagnetotacticbacteria，whichmaybeusefulforunderstandingtheformationmechanismofmagnetosomechains．BasedonthesynthesisofFe304naoncha

8、inscoatingwithamorphouscarbon，chemicalreactionsofFe304nanoparticlesinnanoscopicreactorsofamorpho