低维铁氧体/石墨烯复合纳米体系微结构调控磁光电物性机理研究

Ferrite-based graphene nanocomposites show many novel magnetic, optical and electric properties and wide applications. Properties of low dimension nanocomposites are sensitive to the change in microstructure. It is an important topic on controlling the physical properties of low dimension ferrite/graphene composites and achieving their functional applications. This project mainly builds the low dimension/graphene nanostructure by in situ combined technique, and analyzes the physical mechanism on the variation of properties with tunable microstructure. Here, some special microstructure (surface, interface, crystalline and defect) can be formed by the experimental methods, such as, surface modification, ion doping, annealing in atmosphere, ion radiation, and molecular adsorption. Finally, a reliable preparation method should be suggested. Theoretical analyses on the relationship between modifying microstructure and tuning magnetic, optical and electric properties should be given using first principles, micromagnetics theory, and magnetic sublattice model. Herein, the research on surface electron status and magnetic domain is very important. Further, low dimension ferrite/graphene functionalized materials are designed for some special application. Meanwhile, the relationship among modifying microstructure, changing in properties and functional application should be found. In a word, these studies will help to the new application of low dimension/graphene composites in the fields of photoelectrocatalysis，microwave device and spintronics.

低维铁氧体/石墨烯复合纳米体系性能敏感于微结构改造，呈现了许多新颖的磁光电性能，探究微结构调控与材料物性及功能应用间的关联是当前低维铁氧体基复合纳米材料研究的热点之一。本项目提出一种成核晶化隔离的微波水热法，辅以磁场诱导，应用原位复合技术高效可控合成系列低维铁氧体/石墨烯复合纳米材料，拟通过表面修饰、离子辐照、气氛退火、离子掺杂、分子吸附等手段，构建特定的表面、界面、缺陷和结晶态等微结构，分析微结构调控诱导磁光电性能演变的物理过程，形成微结构操控物性的有效实验方案。运用第一性原理、微磁学模拟、磁晶格模型等方法，以表面电子态和磁畴结构研究为纽带，揭示复合纳米体系微结构改造调节磁光电物性及其耦合效应的物理机理。设计面向特定应用的低维铁氧体/石墨烯功能材料，探索微结构调控、性能响应与功能应用间的关联机制，为低维铁氧体基复合纳米体系在光电催化、微波器件及自旋电子学等领域的新应用提供理论和技术支撑。

铁氧体基石墨烯复合纳米体系呈现出许多新颖的磁光电物性和广阔的应用前景，本项目主要通过水热、溶剂热、原位聚合、静电纺丝等制备了系列低维铁氧体/石墨烯复合纳米材料，构建了核壳结构、胶囊结构、插层结构、珊瑚状、树莓状、鸟巢状等具有特定形貌结构的铁氧体/石墨烯复合体系，通过形貌设计和微结构调控，阐明复合材料磁光电物性变化的微观机理，揭示了物性响应与功能应用间的内在关联。项目重点探究了铁氧体/石墨烯复合体系在光催化、有机染料及金属离子吸附、电磁波吸收等领域的应用。研究取得以下重要成果，（1）植酸修饰可以有效地调控钴铁氧体纳米材料的形貌，随着添加量的变化，实现其从一维纳米棒、二维纳米片再到三维珊瑚状结构的转变，并在染料和金属离子吸附方面展现了优异的性能；（2）外磁场可有效实现铁氧体基异质结构光催化性能的增强；第一性原理计算体系能带结构，揭示了异质结构光电子转移路径，解释了光催化效应产生的物理机制；（3）PVP作为一种优异的表面活性剂，包覆CoFe2O4/rGO可构建胶囊结构而展现高效的微波吸收性能，也可大大增强rGO/CoFe2O4磁性吸附剂对阴阳离子染料的吸附性能；分子动力学模拟解释了复合体系高效吸附的物理机理；（4）调控三元rGO/SmFe5O12/CoFe2O4磁电复合体系的组分大大增强电磁性能，实现对电磁波的高效吸收；（5）建立新型三维多孔非正分比Co0.8Fe2.2O4/rGO复合体系，揭示rGO添加对体系微结构、形貌和磁性的影响，实现了复合体系磁电性能的可控可调；（6）石墨烯气凝胶具有独特的多孔轻质特性，通过复合CoFe2O4获得了优质的轻质宽带微波吸收材料，N掺杂进一步调控复合体系表面电子结构，改善复合体系的导电性能，从而获得一个最佳的阻抗匹配，实现对电磁波的高效吸收。本项目研究围绕既定目标，取得了系列研究成果，阐明了低维铁氧体/石墨烯复合体系物性调控机理和性能增强机制，为高性能磁电复合功能材料的研发提供的技术支撑和理论指导，对未来新型光催化剂、污染物吸附剂和微波吸收剂的开发奠定了基础。