燃烧法直接合成氧化铁纳米粉体..

齐鲁工业大学外文翻译院系名称：材料科学与工程学生姓名：乔宁专业班级：材化10-2学号：201007021047 指导老师：夏国栋燃烧法直接合成氧化铁纳米粉体：反应机理和性能Kishori 德什潘德，亚历山大Mukasyan ，和Arvind 尔马化学与生物分子工程系，分子工程材料中心、圣母大学、圣玛丽，印第安纳州46556，与化学工程学院、普渡大学、西拉斐特，印第安纳州47907 2100接收于2004年3月23日不同的氧化物溶液燃烧合成涉及自我持续的反应(如，金属硝酸盐) 的氧化剂和燃料(如甘氨酸、肼）之间。

为三个主要的铁氧化阶段，即α-和γ-Fe2O3和Fe3O4，使用的燃烧方法和简单的前体，如铁硝酸盐和草酸盐，以及不同燃料的组合合成反应机制进行调查。

第一次在文献中，基于所获得的基本知识、与井结晶结构和表面地区范围50−175 m2/g 的上述粉末生产同时避免额外的煅烧过程同时使用一种方法。

它还显示利用复杂的燃料和氧化剂复杂是有吸引力的方法来控制产品组成和特性。

介绍铁氧化物是许多科学和工业应用中最常用的金属氧化物。

例如，R-Fe2O3（赤铁矿）被广泛用作颜料，以及用于醇的催化剂氧化来制备醛和酮，磁铁矿（Fe3O4）是在各种反应中的催化剂如合成氨，同时，γ－Fe2O3（磁赤铁矿）备受关注的多种用途，包括作为磁记录材料，在生物医学中的应用。

基于上述需求，所需的相组成和高比表面积的粉末是必需的。

目前，有氧化铁纳米粒子的合成的几种方法，包括热分解，热解，醇热，溶胶-凝胶法，水热过程（参见参考4-10）。

然而，以前的方法没有报道过可以用于这些氧化物的直接合成法，在纯结晶状态，由一个单一的路线。

水（液）燃烧合成（CS）不同的氧化物，包括铁氧体，钙钛矿，和氧化锆（参见参考11-15）是个有吸引力的技术。

它涉及到一个氧化剂（例如，金属硝酸盐）和燃料（例如，甘氨酸，肼）之间自我维持的反应。

首先，反应物溶解于水，得到的溶液充分混合，达到反应介质的基本分子水平的均匀化。

被加热到水的沸点和蒸发后，该溶液可以点燃或自燃的温度迅速升高（可达104°C／S）值为1500°C.同时为高，这自持反应初始混合物通常细结晶良好的粉体所需的组合物。

铁氧化物此前一直燃烧法合成的使用相对罕见的和复杂的含有前体如铁（n2h3coo）2（N2H4）和n2h5fe（n2h3-coo）3 H2O。

上述金属肼羧酸盐热分解产生的主要γ-Fe2O3的平均粒径小于25纳米，具体的比表面积范围是40-75 m2/g 。

在目前的工作中，通过燃烧法合成三大氧化铁物相，比如R- 和γ-Fe2O3和Fe3O4,是使用一个简单的结合体如硝酸铁和草酸以及不同的燃料的研究。

基于所获得的知识和优化的合成参数（大气，燃料的氧化剂比，φ，稀释系统，等等），一个新的上述单相氧化物粉末一步范围在50-175平方米/ g的结晶结构和表面面积的合成开始发展。

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电子邮件：avarma@。

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在本研究中，主要是与φG 1的组合物（即，化学计量相当或者过量燃料）进行了研究，因为，在我们以前的工作表明，这些燃料/氧化剂的比例导致具有高比表面积的粉末的合成。

此外，复杂的燃料，即，甘氨酸和肼的混合物，也被用来达到所需产物的组成和性能。

在某些情况下，草酸亚铁（C2H2O4？Fe）被用作含剂铁。

此外，在一些实验中，复杂的氧化剂，如硝酸铁和草酸混合物，以及硝酸铵[ NH4（NO3）]和草酸，也会被检验。

最后，在上述系统建立互动机制，额外的实验是在惰性气氛（氩气）进行。

所有使用易制毒化学品的一些特性列于表1。

实验程序图1采用实验程序由石英的化学反应器使用的是石英质地的化学反应器（见图1），它可以使一个实验在不同的环境进行（即，空气，氧气，氩气），对反应温度的时间历程的测量，并用数码相机（松下数码摄像机，监控过程模型pv-dv103）。

注意，K型热电偶测量的温度（127μM；ω工程公司）连接到一个多通道数据采集系统（inet-200控制器卡，欧米茄工程公司）率从5到60采样/秒。

在水和得到的溶液充分混合足够量的反应物溶解后，反应器被放置在一个热板（Cole-Parmer模型4803-00），混合料预热均匀到水的沸点为0—5°C ／min（见第一阶段，图2A）。

这是一个比较长的（～5分钟）恒温阶段II，在此期间所有的自由和部分结合水蒸发。

下一个预热阶段（第三阶段）的特点是高利率（～12°C /分钟）与Ⅰ期相比，以突然（有些点火温度，TIG）均匀的温度上升到最大值，TM，或反应在一个特定的热点，其次是稳定的波传播沿引发混合物（见图3）。

在这两种情况下，即，在所谓的体积燃烧合成（VCS）和自蔓延高温合成（SHS）模式，介质温度变化率，dT / dt是高的范围内10-104°C／S（IV期，图2A）。

这种高温区的持续时间从10秒之间变化～（SHS模式）到100（VCS模式），冷却后（第五阶段），合成的产品通常的微细固体粉末。

得到的产品使用X1高级衍射系统（scintag Inc.，USA）和红外光谱（温马特森，卫星系列，模型960m0027）进行了相组成和结晶度分析。

粉末的微观结构是通过场发射扫描电子显微镜研究（日立，模型s-4500）和比表面积的测定用BET分析（autosorb1c，康塔仪器）。

最后，利用DTA / TGA分析仪进行了差热/热重数据分析（SDT 前驱物分解模型2960，TA仪器）。

图2。

对甘氨酸硝酸铁系统在空气中不同φ温度-时间曲线：（一）φ）1；（b）φ）3。

结论如上所述，研究确定为结晶良好的一步合成条件进行了各种氧化剂的燃料系统，纳米氧化铁粉体不同的相组成（r-fe2o3，γFe2O3和Fe3O4，）和高（50-175平方米/克）的比表面积。

所有的实验在下面讨论在空气中进行，除非另有说明。

甘氨酸硝酸铁系统。

甘氨酸是最简单的氨基酸，它广泛用于溶液燃烧反应.主要参数在实验的燃料和氧化剂之间的比率（即，甘氨酸和硝酸铁），φ，在从1到3范围内变化。

在我们以前的工作中，合成粉末的属性（例如，相组成，纯度，和比表面积）是该参数的敏感变化。

在空气中φ反应的典型的温度时间曲线）1（计量）和φ）3（富）如图2所示。

第一个是SHS 的情况下（φ）1；图2A），而第二，VCS（φ）3；图2B）模式，以上进行了定性的描述。

在φ）1，的相互作用发生在一个狭窄的容器（图3）高温（＞1000°C）反应前的传播速度～1厘米/秒，具有快速温度变化（dT / dt＞103°C／S）在前面，而总反应时间较短（～1-10 S）。

为φ）3，在反应开始温度大致相同（～125-150°C）作为φ）1（见图4），它的过程慢（dT / dt＜102°C ／S）持续时间较长（～100秒）。

值得注意的是，在φ）1的温度分布，只有一个峰值，在φ反应）3的特点是由两个峰值，即，在反应开始温度相对快速增加，随后减少和较慢的温度上升到更高的值（图2b）。

对于这个系统，从SHS风险投资模式的转变发生在φ～1.6。

它是观察到的最大温度，从～1000°C tmdecreasesφ）为1～450°Cφ）3。

同时，气相产物中明显在φ> 1.6混合物的相互作用中增加释放量。

XRD和FTIR分析表明，进一步确认所有粉末的合成与φ＞1的混合物有r-fe2o3相的晶体结构，而获得φ产品）1是一个混合的R -γ-Fe2O3。

的，在特定的表面面积，一个显着的变化的氧化物粉末之间的过渡发生在SHS 反应模式和风险投资（φ）1.6；见图5，孵化区），以达到最大值为单相r-fe2o3粉～32平方米/克（φ）2.5）。

纯赤铁矿阶段的典型结构如图6所示。

可以看出，在微观层面上（图6a），合成的粉末具有形态的薄片，宽度～0.5μ米直径只有几纳米的厚度。

仔细检查的产品表明，鳞片表面（图6b）有一个特征尺度～5-10 nm发达的纳米结构（图6C）。

小薄片的厚度，以及其纳米级的表面结构，解释所观察到的高的比表面积对所合成的r-fe2o3粉末。

图3。

溶液燃烧合成过程中的反应前的传播；甘氨酸硝酸铁系统水合硝酸铁系统。

肼是一系列的化合物称为hydronitrogens之中的一种，是一个强大的还原剂。

相比其他燃料（见表1），它具有较低的熔点和沸点。

这些属性定义交互的细节在肼的硝酸铁系统。

对于使用肼作为燃料的铁氧化物合成的典型的温度时间曲线如图7所示。

继前两个预热阶段（见图1）类似的基础系统的甘氨酸，可以观察到一个轻微的温度下降（下降到105-120°C）立即快速反应。