高表面能晶面铁氧化物微纳米晶的可控制备与性能研究

Iron-containing oxides with special morphologies and surface structures present many outstanding physical and chemical properties, and iron-containing oxides with high surface energy planes can exhibit higher catalytic activity, magnetiic performance, and gas sensing properties. In this project, solution-based chemical methods are used to prepare iron oxides with high-index facets by the chelation between alcohol-amine and iron ions. The surface energe of crystal faces could be adjusted by the sorption between amidocyanogen and polar suefaces of the iron oxide nanocrystal. The multfounction reaction system can be used as an effective way for the sythesis of the nanostructure materials with high surface energy. Also, it can provide the basis of the theory to further understand the growth habits of crystals. More importantly, it can build up a good basis for adjustment of the physcial and chemical proerties of nanomaterials by controlling crystal faces.

具有特定形状和表面结构的铁氧化物纳米晶将表现出不同的物理和化学性质，而制备高表面能晶面结构铁氧化物是显著提高其磁性能、气敏性能和催化性能的有效途径。我们拟采用液相化学合成法，通过有机醇胺分子本身与铁离子的螯合作用和醇胺分子内有机烷醇基来调控反应介质性质和晶体生长环境，协同其分子内胺基与铁氧化物纳米晶极性晶面强吸附来有效控制晶体各晶面表面能高低的相对顺序，在氧化剂或还原剂协合反应下，得到晶面原子状态可控的多面体铁氧化物。这种在同一有机醇胺分子内协同完成纳米晶成核、晶面择优生长结构－功能一体化设计方法体系，可为高表面能晶面裸露的纳米结构材料制备开辟一个新途径，为进一步理解和认识纳米晶体的生长过程提供理论依据，也为进一步调控纳米材料的物理和化学性能，通过控制纳米粒子表面原子排列结构提高纳米材料的催化性能、磁学和气敏性能奠定基础。

具有特定组成和表面结构的微纳米晶能表现出不同的物理和化学性质，而制备高表面能晶面结构微纳米材料是显著提高其催化和电化学性能的有效途径。项目从铁基氧化物晶体结构特征和晶体生长习性入手，利用水热、溶剂热等方法合成了不同表面结构的铁基材料，并对其组成、结构和性能关系开展了系统研究。（1）制备了不同裸露面的Fe3O4单晶材料。结果表明：三乙醇胺有助于立方体Fe3O4（100）面的裸露，而碱度的提高便于Fe3O4（100）面向（111）面转变；同时Fe3O4（100）面显示了高的对硝基苯酚催化活性。(2)制备了十二面体和十四面体α-Fe2O3材料。表征表明：十二面体α-Fe2O3是由（113）晶面组成，十四面体α-Fe2O3是由（001）和（113）面组成，底物浓度和碱度对形貌的影响非常关键。同时十四面体α-Fe2O3表现出更高的光降解RhB活性，这可能归因于α-Fe2O3不同表面结构协同作用所致。（3）一步法合成了Fe3O4/N-doped Graphene和Fe3[Fe(CN)6]4/Reduced Graphene Oxide纳米复合材料。结果表明：氨水-水合肼和PVP在制备复合材料中起着关键的角色。结果表明：这类复合电极材料其显著提高的电化学性能可能归因于高分散的立方的铁基材料和石墨烯片二者间的双电层电容和赝电容的协同作用所致。（4）高碱性一步水热制备了裸露（111）面的八面体Fe3O4材料，该方法不需加任何添加物，反应物种单一、易控制且操作简单，同时研究了其磁性能的可能影响因素。（5）制备了仿生物形态的多叶状α-Fe2O3介晶材料，且在葡萄糖-水体系中可获得多叶状α-Fe2O3@C复合材料；制备出了ε-Fe2O3纳米片自组装的ε-Fe2O3微球，同时利用二步法合成了ε-Fe2O3@Co3O4和C@ε-Fe2O3膜等分级结构的复合材料，研究了这类材料的组成结构与其储能特性关联。本项目的重要意义在于提出了几种铁氧化物微纳米晶及其复合材料的构筑新方法和新思路，不仅为进一步理解和认识铁基化物纳米晶体的生长过程提供理论依据，同时也为进一步调控纳米材料的物理和化学性能，通过控制材料组成和结构提高纳米材料的催化性能和电化学性能奠定了基础。