多壁碳纳米管表面均匀沉淀包覆四氧化三铁及其磁性能的研究.pdf

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多壁碳纳米管表面均匀沉淀包覆四氧化三铁及其磁性能的研究1 多壁碳纳米管表面均匀沉淀包覆四氧化三铁及其磁性能的研究2 多壁碳纳米管表面均匀沉淀包覆四氧化三铁及其磁性能的研究3 多壁碳纳米管表面均匀沉淀包覆四氧化三铁及其磁性能的研究4 多壁碳纳米管表面均匀沉淀包覆四氧化三铁及其磁性能的研究5 多壁碳纳米管表面均匀沉淀包覆四氧化三铁及其磁性能的研究6
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第22卷第3期2014年6月材料科学与工艺MATERIALSSCIENCE&TECHNOLOGYllVol22lll3Jun.2014多壁碳纳米管表面均匀沉淀包覆四氧化三铁及其磁性能的研究孙健明,肇研,李翔,鲍天骄,申雄刚,段跃新(北京航空航天大学材料科学与工程学院,北京100191,China)摘要:本文用均匀沉淀的方法在多壁碳纳米管表面包覆了四氧化三铁(Fe3O4),采用场发射扫描电镜(FESEM)和场发射透射电镜(FETEM)对改性多壁碳纳米管表面形貌进行观察,采用场发射透射电镜附带的X射线能谱仪(EDX)对其表面成分进行测试,同时结合X射线衍射仪(XRD)对多壁碳纳米管表面包覆的晶体结构进行分析,最后采用振动样品磁强计(VSM)和网络矢量分析仪表征了Fe3O4包覆多壁碳纳米管的静态磁性能和动态电磁性能.结果表明,均匀沉淀Fe3O4包覆多壁碳纳米管的效果理想,相对原始多壁碳纳米管,改性后的多壁碳纳米管静态磁性能有了显著提高,比饱和磁化强度为12.15emu/g.关键词:多壁碳纳米管;均匀沉淀;四氧化三铁;磁性能中图分类号:TB34文献标志码:A文章编号:1005-0299(2014)03-0102-06CoatingIronoxide(Fe3O4)⁃onthesurfaceofmultiwalledcarbonnanotubesbycooperationprecipitationandFe3O4-′MWCTsmagneticpropertiesSUNJianming,ZHAOYan,LIXiang,BAOTianjiao,SHENXionggang,DUANYuexin(SchoolofMaterialsScienceandEngineering,BeihangUniversity,Beijing100191,China)Abstract:CooperationPrecipitationwasutilizedtodepositIronoxide(Fe3O4⁃)onthesurfaceofmultiwalledcarbonnanotubes(MWCNTs).⁃Intheexperiment,fieldemissionscanningelectronmicroscope(FESEM)and⁃fieldemissiontransmissionelectronmicroscope(FETEM)aswellasenergydispersivespectroscopy(EDS)resultswerepresentedtoshowthemorphology,componentsofFe-MWCNTs.⁃Meanwhile,Xraydiffraction(XRD)wasusedtoanalyzethestructureofIroncoatedonthesurfaceofMWCNTs,vibratingsamplemagnetometer(VSM)andVectornetworkanalyzerwereusedtocharacterizethemagneticpropertyandtheelectromagneticproperties,respectively.Tosumup,thesurfaceofMWCNTshadbeencoatedFe3O4by⁃cooperationprecipitation,andthemagneticpropertyofthefunctionedMWCNTshadalargeincreasecomparedwiththeoriginalMWCNTs.Thesaturationmagnetizationwas12.15emu/g.Keywords⁃:multiwalledcarbonnanotubes;cooperationprecipitation;ironoxide;magneticparameter收稿日期:2012-11-25.作者简介:孙健明(1987-)男,研究生.通信作者:肇研⁃,Email:jennyzhaoyan@buaa.edu.cn.多壁碳纳米管优异的力学性能、电学性能等使其一经发现就成为材料物理化学等领域的研究热点[1-2],主要应用在电子器件[3]、吸附材料[4]、复合材料增强体[5]等方面,但由于其磁性能差,介电常数较大导致其在吸波应用中阻抗匹配不满足要求,在电磁屏蔽方面应用受到限制,因此为改善其磁性能,提高其作为吸波剂阻抗匹配性,很多学者利用化学改性等方法在多壁碳纳米管表面包覆了磁性金属及其氧化物.目前多壁碳纳米管表面改性的研究与应用已取得了一定的进展.改性方法主要有化学镀改性[6]、电镀改性[7-8]、水解沉淀法改性[9]等.而均匀沉淀法是利用某一化学反应使溶液中的构晶离子由溶液中缓慢均匀地释放出来,通过控制溶液中沉淀剂浓度,保证溶液中的沉淀处于一种平衡状态,从而均匀的析出,此方法具有成本低、设备简单、反应温度低和易放大工业化生产的优点[10].铁元素具有高比饱和磁化强度的优点,且其包覆在多壁碳纳米管表面的粒径为纳米尺寸[11],从而铁元素改性后的多壁碳纳米管具有优异的电磁性能,可以制备一种新的纳米轻质吸波材料,所以研究磁性铁元素包覆多壁碳纳米管很有意义.均匀沉淀的方法能获得包覆效果良好的多壁碳纳米管,大大简化多壁碳纳米管改性工艺,并且可以克服其他改性方法的缺点,如化学镀中利用有毒性的钯作为活化点[12]等问题,同时可以降低成本.多壁碳纳米管表面包覆四氧化三铁的报道较少[13-16],并且报道的多以金属氧化物和碳纳米管掺杂共混的形式[17]存在或者金属氧化物以颗粒状分布在多壁碳纳米管表面[9],难以充分发挥其电磁性能.本文在前期工作的基础上,采用均匀沉淀法在多壁碳纳米管表面包覆了四氧化三铁,并且四氧化三铁以层状均匀包覆在多壁碳那纳米管表面,期望获得具有优异电磁性能的改性多壁碳纳米管.1实验1.1实验原料多壁碳纳米管直径为10~30nm,长度为1~2μm,灰度小于0.2wt%,纯度>95%,由深圳纳米港有限公司提供;试剂FeSO4·7H2O,纯度为分析纯,由西陇化工有限公司生产;试剂NH3·H2O、Na3C6H5O7·2H2O等,纯度为分析纯,由北京化工试剂总厂生产.1.2实验步骤将多壁碳纳米管研磨,加入到100ml浓硫酸和浓硝酸∶(vv=∶31)的混酸中℃,60下超声处理4h,然后将反应后的溶液稀释至1000ml,抽滤并冲洗至中性,最后烘干至恒重.将预处理的多壁碳纳米管加入到由柠檬酸钠(Na3C6H5O7)、硫酸亚铁(FeSO4)、氨水(NH3·H2O)按一定配比组成的溶液中,调节pH值℃,60下进行反应,控制溶度积使四氧化三铁均匀析出包覆在多壁碳纳米管表面.反应结束后对溶液进行抽滤并冲洗至中性,真空烘干至恒重.1.3实验结果表征采用场发射扫描电镜和场发射透射电镜观察改性的多壁碳纳米管表面形貌;采用场发射透射电镜附带的X射线能谱仪和X射线光谱仪分析其表面成分;采用以铜为靶材的X射线衍射仪测定包覆的金属铁晶体结构,振动样品磁强计测试样品的静态磁性能;最后采用网络矢量分析仪测试样品的电磁参数.相关仪器信息列于表1.表1实验过程中使用的主要仪器设备仪器设备生产厂家型号场发射扫描电子显微镜德国LEO公司LEO-1530场发射透射电子显微镜美国FEI公司TecnaiG2F20X射线能谱仪英国牛津公司S530X射线衍射仪日本Rigaku公司D/Max2200PC振动样品磁强计美国LDJElectronics公司LDJ9600网络矢量分析仪美国惠普公司HP-8722ES2结果与讨论2.1均匀沉淀方法改性多壁碳纳米管的原理多壁碳纳米管预处理之后,其表面产生羟基和羧基等亲核基团,极性相同的基团相互排斥,这有利于多壁碳纳米管的分散.亲核基团与多壁碳纳米管的极强吸附作用共同使Fe2+吸附在多壁碳纳米管表面,形成Fe2+离子层[18].由于铁的氢氧化物的溶度积不同,因此在严格控制络合剂用量和反应速率前提下,最终以柠檬酸钠为络合剂的溶液在一定的pH范围内,Fe2+与氨水提供的OH-在氧作用下产生四氧化三铁,包覆在多壁碳纳米管表面.其中,柠檬酸钠作为络合剂稳定溶液,并逐滴加入氨水调节pH来控制反应的速度.反应方程式如下:3Fe2++6OH-+1/2O2→Fe3O4+3H2O在均匀沉淀反应过程中,不可避免的产生少部分游离的四氧化三铁,其无法吸附在多壁碳纳米管表面,所以产物中会存在少量游离的四氧化三铁.2.2四氧化三铁包覆多壁碳纳米管表面形貌分析图1为多壁碳纳米管的FESEM电镜图片,可以看出原始多壁碳纳米管(图1a)表面光滑,没有金属包覆,同时多壁碳纳米管中没有游离金属的存在,均匀沉淀法改性后的多壁碳纳米管(图1b箭头所指)表面粗糙,说明改性后的多壁碳纳米管表面包覆了金属氧化物.同时,从图中可以看出,存在少量游离的物质(图1b圆圈所示),这是由于在反应过程中不可避免的产生了少量游离的四氧化三铁,其无法吸附在多壁碳纳米管表面.图2为多壁碳纳米管的FETEM图片,可以看出改性后的多壁碳纳米管的FETEM图片(图2c)与原始多壁碳纳米管(图2a)相比有明显的不同,原始多壁碳纳米管表面光滑,没有金属氧化物包覆,均匀沉淀改性后的多壁碳纳米管表面明显的粗糙,均匀的包覆了一层致密铁的氧化物.从电子衍射图片可以看出,包覆的氧化物的电子衍射出·301·第3期孙健明,等:多壁碳纳米管表面均匀沉淀包覆四氧化三铁及其磁性能的研究现了明显的衍射环,说明包覆的氧化物是一种多晶体.同时,从多壁碳纳米管的高分辨透射电镜照片(图2d)中也可以看出包覆的氧化物为多晶体,其中明显的衍射条纹代表的晶体间距为0.252nm,根据标准卡片JCPDS卡片NO.19-0629可知其对应着四氧化三铁的(311)晶面间距,这可以说明包覆在多壁碳纳米管表面的铁的氧化物为四氧化三铁.(a)原始MWCNTs(b)Fe3O4-MWCNTs(a)(b)图1多壁碳纳米管的FESEM照片从TEM附带的EDX能谱获得的成分分析可知,在均匀沉淀法改性后的多壁碳纳米管表面含有铁元素和氧元素,其质量分数分别为11.9%和11.13%,这可以证明均匀沉淀法处理后得到了表面包覆大量铁的多壁碳纳米管.图3为四氧化三铁包覆的多壁碳纳米管XPS图谱,从XPS全谱(图3a)可以看出,在结合能为284.4、530.8和711.8eV等处出现峰值,分别代表着C1s、O1s和Fe2p.而从Fe2p的图谱(图3b)可以看出,在711.8和725.1eV处出现峰值,其中Fe3O4与C原子比为∶132.对比XPS标准图谱可知此为四氧化三铁中铁的Fe2p3/2和Fe2p1/2的峰值[17],进一步证明了包覆在多壁碳纳米管表面的物质为四氧化三铁.2.3四氧化三铁包覆多壁碳纳米管的表面金属晶体结构表征图4为多壁碳纳米管⁃Xray衍射图谱,可以看出均匀沉淀包覆四氧化三铁的多壁碳纳米管的⁃Xray衍射图谱(图4b)分别在2θ=35.7°,57.5°和63.3°等产生明显的衍射峰,根据XRD标准⁃JCPDS卡片NO.19-0629可知,上述衍射峰分四氧化三铁的峰,分别对应着(311)(422)(440)等晶面族⁃.Xray衍射图谱再次证明包覆在多壁碳纳米管表面的物质为四氧化三铁.200nm40nm0.6μm10nm(a)(b)(c)(d)(a)(b)原始MWCNTs;(c)(d)Fe3O4-MWCNTs图2多壁碳纳米管的FETEM照片2.4四氧化三铁包覆多壁碳纳米管的磁性能研究图5为多壁碳纳米管的磁滞回线,可以看出改性多壁碳纳米管的磁性能(图5b)较原始多壁碳纳米管(图5a)有显著的提高.表2为多壁碳纳米管的饱和磁化强度和矫顽力,原始多壁碳纳米·401·材料科学与工艺第22卷管的比饱和磁化强度(Ms)为0.16emu/g,而均匀沉淀得到的四氧化三铁包覆多壁碳纳米管的比饱和磁化强度为12.15emu/g,相应的矫顽力为20.11Oe,说明多壁碳纳米管表面经过改性之后磁性能有了显著的提高.700600500400300Courts/sE/eVFe2pO1sC1s(a)(b)Fe2pFe2p3/2Fe2p1/2Courts/s740730720710700E/eV图3四氧化三铁包覆多壁碳纳米管XPS谱图I(cps)C(002)Fe3O4(200)Fe3O4(311)C(002)Fe3O4(400)Fe3O4(422)Fe3O4(400)ba1020304050607080902θ/(?)a—原始MWCNTSb—Fe3O4-MWCNTs图4多壁碳纳米管的XRD谱图151050-5-10-15-15000-50050015000MagneticField(Oe)M/(emu?g-1)baa—原始MWCNTSb—Fe3O4-MWCNTs图5多壁碳纳米管的磁滞回线表2多壁碳纳米管的饱和磁化强度和矫顽力Ms(emu·g-1)Hc(Oe)O-MWCNTs0.16Fe3O4-MWCNTs12.1520.11比饱和磁化强度和矫顽力主要与多壁碳纳米管表面包覆的金属形态和金属粒径尺寸有关[19].从图2中可以看出,多壁碳纳米管表面包覆物质的粒径较小,倾向单畴结构.由单畴颗粒组成的磁性材料内,因为不存在畴壁,故反磁化过程只有磁矩的转动,联系表2可以看出包覆在多壁碳纳米管表面纳米尺寸的四氧化三铁具有很好的软磁性能.2.5四氧化三铁包覆多壁碳纳米管的电磁性能研究介电常数εr是表征电介质极化能力的物理量,与电介质在外电场中会发生极化类似,磁介质在外磁场中会被磁化,磁介质的磁化程度用磁导率μ表示.在电磁场中,当介质有损耗时,介电常数εr和相对磁导率μ应为复数,其中,ε′r为介电常数的实部,用于表征材料储存电荷或储存能量的能力;ε″r为虚部,是表征电介质损耗的特性参数,其大小反映介质对能量的损耗情况;μ′为磁导率的实部,与磁介质储藏的能量密度成正比,用于表征材料的磁化性能:μ″为虚部,与磁损耗功率成正比,用于表征材料对能量的磁损耗性能[17].测试使用的多壁碳纳米管粉体样品用石蜡粘结,内径3mm,外径7mm,厚度为2mm,多壁碳纳米管的质量分数为20%.图6为多壁碳纳米管的电磁参数,可以看出原始多壁碳纳米管(图6a)具有较高的介电常数,在高频阶段具有较高的介电损耗,而四氧化三铁包覆多壁碳纳米管(图6b)的介电常数要小很多,其ε′r在2~18GHz范围内为3.5左右,ε″r则为0.3左右,介电损耗在高频段略有提高.同时可以看出,四氧化三铁包覆多壁碳纳米管的μ′在0.94~1.00范围内变化,μ″在0.03~0.11范围内变化,其发生振荡逐渐减小,这有助于展宽吸收频带.相对比原始碳纳米管,四氧化三铁包覆多壁碳纳米管的介电常数相对较小,介电性能降低,这是由于产生的四氧化三铁无导电能力,同时均匀沉淀过程中多壁碳纳米管表面的石墨结构遭到了破坏[20].相对于Fe3O4(图6c),四氧化三铁包覆多壁碳纳米管介电性能有明显的提高,同时磁性能略有降低.综上所述,四氧化三铁包覆的多壁碳纳米管的充分的发挥了多壁碳纳米管的介电性能和四氧化三铁的磁性能.·501·第3期孙健明,等:多壁碳纳米管表面均匀沉淀包覆四氧化三铁及其磁性能的研究1601208040432124681012141618f/GHzε′rabcμ′1301109070500.80.60.40.224681012141618f/GHz1.210.80.60.424681012141618f/GHzε″rμ″0.30.250.20.150.10.0524681012141618f/GHzabcabcabc图6多壁碳纳米管电磁参数3结论本研究采用均匀沉淀法在多壁碳纳米管表面均匀包覆四氧化三铁层,改性后的多壁碳纳米管静态磁性能有显著地提高,其比饱和磁化强度为12.15ume/g,矫顽力为20.11Oe,为软磁材料.对比原始多壁碳纳米管,四氧化三铁包覆的多壁碳纳米管介电性能明显降低,磁性能略有提高.参考文献:[1]姜靖雯,彭峰.碳纳米管应用研究现状与进展[J].材料科学与工程学报,2003,21(3):464-468.JIANGJingwen,PENGFeng.StatusquoandProgressinApplicationResearchofCarbonNanotube[J].MaterialsScienceandEngineering,2003,21(3):464-468.[2]聂海瑜.碳纳米管的应用研究进展[J].化学工业与工程技术,2005,25(5):34-37.NIEHaiyu.Progressofapplicationandresearchforcarbonnanotube[J].JournalofChemicalIndustry&Engineering,2005,25(5):34-37.[3]KENNETHB,TEOLK.CarbonNanotubesasColdCathod[J].Nature,2005,437:968.[4]闫晓琦,郭雪芹,王达,等.碳纳米管的储氢机理研究[J].实验室科学,2007(5):96.YANXiaoqi,GUOXueqin,WANGDa,etal.Mechanismofhydrogenstorageofcarbonnanotubes[J].LaboratoryScience,2007(5):96.[5]宋长文,颜红侠,李朋博,等.碳纳米管表面改性及其在聚合物中的应用[J].中国塑料,2008,22(1):14-18.SONGChangwen,YANHongxia,LIPengbo,etal.SurfaceModificationofCarbonNanotubesandTheirApplicationinPolymers[J].ChinaPlastics,2008,22(1):14-18.[6]XUEYajuan,ZHAOYan,ZHENGHao,etal.⁃ElectrolessplatingofCo-FeonthesurfaceofMWCNTs[J].NewCarbonMaterials,2010,25(1):65-69.[7]WUHQ,CAOYJ,YUANPS,etal.Controlledsynthesis,structureandmagneticpropertiesofFe1-X-Nixalloynanoparticlesattachedoncarbonnanotubes[J].ChemicalPhysicsLetters,2005,406:148-153.[8]QIUT,WUXL,HUANGGS,etal.⁃Individualaluminananotubescoaxiallywrappingcarbonnanotubesandnanowires[J].ThinSolidFilms,2005,478:56-60.[9]蒋峰景,浦鸿汀,杨正龙等.Fe3O4包覆碳纳米管软磁性纳米复合微粒的制备及性能[J].新型炭材料,2007,24(4):371-374.JIANGFengjing,PUHongting,YANGZhenglong,etal.PreparationandpropertiesofsoftmagneticcompositesbasedonFe3O4coatedcarbonnanotubes[J].NewCarbonMaterials,2007,24(4):371-374.[10]孙强强,韩选利,项中毅.均匀沉淀结合微波制备纳米氧化锌[J].应用化工,2011,40(12):2172-2175.SUNQiangqiang,HANXuanli,XIANGZhongyi.PreparationofnanoZnObythecooperationprecipitationandmicrowaveheating[J].AppliedChemicalIndustry,2011,40(12):2172-2175.[11]谭宏斌,马小玲.纳米铁氧体吸波材料研究进展[J].陶瓷学报,2008,29(1):77-80.TANHongbin,MAXiaoling.Anoverviewof⁃nanocrystallineferriteabsorbermaterial[J].JournalofCeramics,2008,29(1):77-80.·601·材料科学与工艺第22卷[12]WANGYan,ZHAOYan,BAOTianjiao.Preparationof⁃⁃NireducedgrapheneoxidenanocompositesbyPdactivatedelectrolessdepositionandtheirmagneticproperties[J].AppliedSurfaceScience,2012,258:8603-8608.[13]LIUY,JIANGW,WANGY.SynthesisofFe3O4/CNTsmagneticnanocompositesatthe⁃liquidliquidinterfaceusingoleateassurfactantandreactant[J].JournalofMagnetismandMagneticMaterials,2009,321:408–-412.[14]SUIJiehe,LIJing,LIZhiguo,etal.Synthesisandcharacterizationof⁃onedimensional⁃magneticphotocatalyticCNTs/Fe3O4-ZnOnanohybrids[J].MaterialsChemistryandPhysics,2012,134:229-234.[15]ZHAOYingqing,ZHAORui,LEIYajie,etal.Anovelcarbonnanotubes/Fe3O4inorganichybridmaterial:Synthesis,characterizationandmicrowaveelectromagneticproperties[J].JournalofMagnetismandMagneticMaterials,2011,323:1006-1010.[16]LIUY,JIANGW,LIS,etal.⁃ElectrostaticselfassemblyofFe3O4nanoparticlesoncarbonnanotubes[J].AppliedSurfaceScience,2009,255:7999-8002.[17]FANXJ,LIX.PreparationandmagneticpropertyofmultiwalledcarbonnanotubesdecoratedbyFe3O4nanoparticles[J].NEWCARBONMATERIALS,2012,27(2):111-116.[18]HEYang,HUANGLing,CAIJinShu,etal.StructureandelectrochemicalperformanceofnanostructuredFe3O4/carbonnanotubecompositesasanodesforlithiumionbatteries[J].ElectrochimicaActa,2010(55):1140-1144.[19]李平云,曹振华,陆海鸣,等.纳米金属Ni的饱和磁化强度和居里温度的尺寸依赖效应[J].南京大学学报(自然科学),2009,4(2):193-196.LIPingyun,CAOZhenhua,LUHaiming,etal.⁃Size⁃dependentsaturationmagnetizationandCurietemperatureofnanocrystallinenickel[J].JournalofNanjingUniversity(NaturalSciences),2009,4(2):193-196.[20]BAOTianjiao,ZHAOYan,SUXiao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