表面修饰多壁碳纳米管负载铁氧体的制备及其性能研究

发布时间：2020-04-03 13:43

【摘要】：铁氧体属于一种复合型金属氧化物,在压电、传感、医药、吸附和催化等领域均有所应用。然而,目前已制备的铁氧体主要存在粒径大、团聚效应强且结构不均一等缺点。进一步设计和优化铁氧体制备条件,是科研工作者的主要研究方向之一。本文在多壁碳纳米管表面修饰的基础上,以多壁碳纳米管为载体,采用操作简单、环境友好的溶剂热法成功制备了尺寸相对均匀、分散性好的钴镍铁氧体/多壁碳纳米管复合材料(Co_xNi_(1-x)Fe_2O_4/MWCNTs,简写CNF/MWCNTs)。既克服了多壁碳纳米管难于回收、分散性差的不足,也弥补了铁氧体存在的缺陷。利用XRD、SEM、EDS、TEM、SAED、XP和Raman等多种手段表征了复合材料的晶型、结构、形貌等,并以复合材料对重金属离子Cd~(2+)的吸附过程和对曙红B(eosin B,简写EB)的光催化降解过程为研究对象,研究复合材料的吸附和光催化性能,探讨复合材料的构效关系,为该材料在水处理领域的实际应用提供了理论依据。(1)首先,本文采用恒压酸化法改性多壁碳纳米管,通过调整不同的反应参数(如反应温度和反应时间等),探索改性多壁碳纳米管的最佳条件。结果表明:反应温度对改性多壁碳纳米管的形貌和分散性影响较大。在反应温度为80℃,反应时间为2 h时,多壁碳纳米管的结构完整、分散性好且表面无杂质。(2)以一步溶剂热法制备纳米Co_xNi_(1-x)Fe_2O_4,通过调整不同反应参数(如沉淀剂种类和浓度、反应温度、钴镍比例等),探索纳米Co_xNi_(1-x)Fe_2O的最佳制备条件。结果表明:溶剂种类和温度对材料的形貌和组成影响较大。使用50%乙二醇溶剂时,在溶剂热反应温度为180℃反应时间2 h、6 mmol尿素作为沉淀剂的条件下,制备出粒径约16 nm、形貌均一的多晶球形纳米Co_xNi_(1-x)-x Fe_2O_4。经XRD和XPS表征可知,镍的加入基本不会引起晶格改变,Co_xNi_(1-x)Fe_2O_4始终为尖晶石型结构,表面组成为(Co~(2+)_(0.46)Ni~(3+)_(0.19)Fe~(3+)_(1.4))[Co0.3~(2+)Ni0.43~(2+)Co0.36~(3+)Fe0.6~(3+)]O4。(3)在Co_xNi_(1-x)Fe_2O_4的制备基础上,引入不同含量的改性多壁碳纳米管,制备CNF/MWCNTs纳米复合材料。复合材料中,Co_xNi_(1-x)Fe_2O_4保持原形貌且均匀地负载在多壁碳纳米管上;经Raman对碳元素的表征可知,铁氧体与多壁碳纳米管复合前后ID/IG分别为1.36和1.34,说明MWCNTs表面有很多的结构缺陷,且复合铁氧体后,不影响表面结构缺陷,为保留更多的吸附位点提供保障。BET表征复合前后的比表面积分别为29.63m~2/g和157.27 m~2/g,孔径集中分布在2 nm-10 nm之间,复合材料的比表面积大幅提高且属于介孔材料。(4)以Co_xNi_(1-x)Fe_2O_4/MWCNTs为吸附材料,以Cd~(2+)为研究对象,考察溶液初始pH、时间、初始的Cd~(2+)浓度,对吸附效果的影响。结果表明:当溶液初始浓度为200 mg/L、pH为8、反应温度为30℃时,需30 min达到吸附平衡,且温度越高,达到平衡时的吸附容量越大。在40℃时,平衡吸附容量为60.02 mg/g。吸附过程符合准二级动力学方程,表示该反应以化学吸附为主。Langmuir拟合线性相关系数R~2≥0.9937,说明材料表面较均匀,吸附过程以单分子层吸附为主。(5)以复合材料为光催化剂,以EB为研究对象,探究不同复合材料降解EB的效果。结果显示:当M_(Co):M_(Ni):M_(Fe)为0.30:1.00:2.00时,复合材料对EB的降解率达到最高为98.11%,且复合材料经过5次循环后降解率均大于97%,充分说明CNF/MWCNTs具有良好的降解循环稳定性。本文针对不同成分含量的钴镍铁氧体/多壁碳纳米管复合材料,进行吸附和光催化方面的研究,为制备性能优异的纳米复合材料提供基础实验方法,为吸附材料和光催化材料的应用和发展提供良好的前景。
【图文】：

结构示意图,碳纳米管

图 1-1 CNTs 的结构示意图a）单壁碳纳米管；b）多壁碳纳米管1.2.1 碳纳米管改性CNTs 表面结构特别，其长径比较大，是一种团聚和缠绕情况恶劣的高活性疏水材料因此，缓解 CNTs 的缠绕现象，改善碳纳米管的亲水性是碳纳米管在水处理领域广泛应的前提。现阶段，，对 CNTs 的主要表面修饰手段，可由是否形成共价键区分。（1）共价键修饰改性共价键修饰是指利用具有氧化性的溶剂，对碳纳米管进行表面氧化。被改性的 CN的外表常含有大量的含氧官能团。Salam 等[8]使用 H2O2、KMnO4等具有强氧化性的溶剂改性 MWCNTs，FTIR 表征了纳米管在强氧化性溶剂改性后，管壁含有很多的羧基等含氧基团与改性前比对五氯苯（PCP）的吸附效果显著提高。Fang 等[9]采用 HNO3氧化多壁碳纳米管，使 MWCNTs 表含有大量的附加吸附位点，从而大幅度改善了碳纳米管对 ClO4-的吸附效果。Su 等[10]利NaClO 对碳纳米管进行表面处理，并尝试对水溶液中的 BTEX（苯、甲苯、乙苯和二甲苯

工作曲线,工作曲线,定容,往复式

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 0浓吸（ mg/L）图 2-1 Cd2+的标准工作曲线制备液，分别稀释至 400 mg/L、200 mg/L、的测试d2+溶液调节至一定的 pH，取 1 mL 定容至合材料吸附 Cd2+实验 Cd2+溶液调节至一定的 pH，以及准确称荡 10 min 后放于 150 r/min 往复式水浴振取离心清液 1 mL 定容至 10 mL，使用火
【学位授予单位】：东北电力大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM277;TB332

【参考文献】