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
第22卷㊀ 第3期2014年6月㊀ ㊀ ㊀ ㊀ ㊀ ㊀
㊀
材㊀ 料㊀ 科㊀ 学㊀ 与㊀ 工㊀ 艺
MATERIALSSCIENCE&TECHNOLOGY
㊀
Vol 22
Jun.2014
No 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
孙健明,肇㊀ 研,李㊀ 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㊀ 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
和磁化强度为12.15emu/g.中图分类号:TB34
关键词:多壁碳纳米管;均匀沉淀;四氧化三铁;磁性能
文献标志码:A
文章编号:1005-0299(2014)03-0102-06
CoatingIronoxide(Fe3O4)onthesurfaceofmulti⁃walledcarbonnanotubes
bycooperationprecipitationandFe3O4-MWCTsᶄmagneticproperties
SUNJianming,ZHAOYan,LIXiang,BAOTianjiao,SHENXionggang,DUANYuexin
(SchoolofMaterialsScienceandEngineering,BeihangUniversity,Beijing100191,China)
Abstract:CooperationPrecipitationwasutilizedtodepositIronoxide(Fe3O4)onthesurfaceofmulti⁃walledcarbonnanotubes(MWCNTs).Intheexperiment,field⁃emissionscanningelectronmicroscope(FESEM)andfield⁃emissiontransmissionelectronmicroscope(FETEM)aswellasenergydispersivespectroscopy(EDS)resultswerepresentedtoshowthemorphology,componentsofFe-MWCNTs.Meanwhile,X⁃raydiffraction(XRD)wasusedtoanalyzethestructureofIroncoatedonthesurfaceofMWCNTs,vibratingsampleelectromagneticproperties,respectively.Tosumup,thesurfaceofMWCNTshadbeencoatedFe3O4bywiththeoriginalMWCNTs.Thesaturationmagnetizationwas12.15emu/g.
Keywords:multi⁃walledcarbonnanotubes;cooperationprecipitation;ironoxide;magneticparameter㊀ ㊀ 多壁碳纳米管优异的力学性能㊁ 电学性能等
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方法主要有化学镀改性[6]㊁ 电镀改性[7-8]㊁ 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
收稿日期:2012-11-25.
作者简介:孙健明(1987-)男,研究生.
通信作者:肇㊀ 研,E⁃mail:jennyzhaoyan@buaa.edu.cn.
magnetometer(VSM)andVectornetworkanalyzerwereusedtocharacterizethemagneticpropertyandthe
cooperationprecipitation,andthemagneticpropertyofthefunctioned⁃MWCNTshadalargeincreasecompared
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]㊁ 吸附材料[4]㊁ 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
面改性的研究与应用已取得了一定的进展.改性
具有成本低㊁ 设备简单㊁ 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
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㊃ 103㊃
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.
的优点,且其包覆在多壁碳纳米管表面的粒径为
表1㊀实验过程中使用的主要仪器设备
仪器设备
场发射扫描电子显微镜场发射透射电子显微镜
X射线能谱仪
生产厂家德国LEO公司美国FEI公司英国牛津公司
型号LEO-1530TecnaiG2F20D/Max2200PCLDJ9600HP-8722ES
S530
X射线衍射仪日本Rigaku公司美国惠普公司
振动样品磁强计美国LDJElectronics公司网络矢量分析仪
多壁碳纳米管表面包覆四氧化三铁的报道较
少[13-16]掺杂共混的形式,并且报道的多以金属氧化物和碳纳米管
[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]
电磁性能.本文在前期工作的基础上,难以充分发挥其
,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.
1㊀1.1㊀实实验原料
㊀ 验
2μm,多壁碳纳米管直径为灰度小于0.2wt%,纯度10 >95%,30nm,由深圳纳米
长度为1
港有限公司提供;试剂FeSO纯Na,由西陇化工有限公司生产4㊃ 7H;试剂2O,纯度为分析
NH3㊃ H试剂总厂生产H23C65O7㊃ 2HO㊁.
2O等,纯度为分析纯,由北京化工1.2㊀实验步骤
将多壁碳纳米管研磨,加入到100ml浓硫酸和浓硝酸4冲洗至中性h,然后将反应后的溶液稀释至(vʒ v=3ʒ 1)的混酸中,60,最后烘干至恒重.
1000ħ 下超声处理
ml,抽滤并(Na将预处理的多壁碳纳米管加入到由柠檬酸钠
按一定配比组成的溶液中3C6H5O7)㊁ 硫酸亚铁(FeSO,调节4)㊁pH氨水值(NH,603㊃ ħ H下进2O)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.1.3㊀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.
2㊀2.1㊀结果与讨论
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]化物的溶度积不同,因此在严格控制络合剂用量.由于铁的氢氧和反应速率前提下,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.反应方程式如下在均匀沉淀反应过程中3Fe:
2++6OH-+1/2O2
ңFe ,不可避免的产生少3O4+3H2O
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.
2.2㊀四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
㊃ 104㊃ 材㊀ 料㊀ 科㊀ 学㊀ 与㊀ 工㊀ 艺㊀ ㊀ ㊀ ㊀ ㊀ ㊀ ㊀ ㊀ ㊀ ㊀ ㊀ ㊀ ㊀ ㊀ ㊀ 第22卷㊀
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,这为四氧化三铁.
63.3ʎ等产生明显的衍射峰,根据XRD标准JCP⁃
DS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.X⁃ray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.
(a )
可以说明包覆在多壁碳纳米管表面的铁的氧化物
(a )
(a ) 原始M WC N T s
(b )
(b ) F e 3O 4
-M WC N T s 图1㊀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11.99%和11.13%,面包覆大量铁的多壁碳纳米管这可以证明均匀沉淀法处理后得到了表.
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表着C1s㊁O1s㊁530.8 和和711.8Fe2p.eV而从等处出现峰值Fe2p的图谱,(分别代图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1ʒ 32.对比XPS标准图谱可知此为四氧化三铁中铁的Fe2p,进一步证明了包覆在多壁碳纳米管表面的
3/2和Fe2p1/2的峰值[17]物质为四氧化三铁.
2.3㊀四氧化三铁包覆多壁碳纳米管的表面金属㊀ ㊀ 图晶体结构表征
看出均匀沉淀包覆四氧化三铁的多壁碳纳米管的4为多壁碳纳米管X⁃ray衍射图谱,可以
X⁃ray衍射图谱(图4b)分别在2θ=35.7ʎ,57.5ʎ和
200n m
(b )
40n m
(c )
0. 6μm
(d )
10n m
(a ) (b ) 原始M WC N T s ;(c ) (d ) F e 3O 4
-M WC N T s 图2㊀多壁碳纳米管的FETEM照片
2.4㊀四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
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㊃ 105㊃
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.
(a )
O 1s
C o u r t s /s
F e 2p
C 1s
表2㊀多壁碳纳米管的饱和磁化强度和矫顽力
O-MWCNTs
Ms(emu㊃ g-1)
12.150.16
Hc(Oe)20.11
和磁化强度为12.15emu/g,相应的矫顽力为
Fe3O4-MWCNTs
管表面包覆的金属形态和金属粒径尺寸有关[19].
比饱和磁化强度和矫顽力主要与多壁碳纳米
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[**************]
E /e V
(b )
F e 2p
F e 2p 3/2F e 2p 1/2
/s
u r t s C o 740730
720
710700
E /e V
图3㊀四氧化三铁包覆多壁碳纳米管XPS谱图
F e 3O 4
(311) a —原始M WC N T S
C (002)
F e 3O 4
(200) b —Fe 3O 4
-M WC N T s F e 3O 4
F (4e 00) F e 3O 4(400) 3O 4
(422) b
p s )
I (c C (002)
a
[***********]
2θ/(? )
图4㊀多壁碳纳米管的XRD谱图
1510
b
-1
? g )
5(e m u 0a
M /-5-10a —原始M WC N T S
b —Fe 3O 4
-M WC N T s -15
-15000
-500
500
15000
M a g n e t i c F i e l d (O e )
图5㊀多壁碳纳米管的磁滞回线
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.
2.5㊀四氧化三铁包覆多壁碳纳米管的电磁性能研究介电常数ε量,与电介质在外电场中会发生极化类似r是表征电介质极化能力的物理
,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,εᶄ 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;εᵡ 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;μᶄ 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:μᵡ 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εᶄ r在2 18GHz范围内为3.5左右,εᵡ .同时可以看出r则为0.3左右,介电损耗在高频段略有提高,四氧化三铁包覆多壁碳纳米管0.03的μᶄ 在0.94 1.00范围内变化,μᵡ 有助于展宽吸收频带 0.11范围内变化.相对比原始碳纳米管,其发生振荡逐渐减小在
,四氧,这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
(的有明显的提高图石6c),墨结四氧化三铁包覆多壁碳纳米管介电性能
构遭到了破坏[20].相对于Fe3O4
,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.
㊃ 106㊃
[***********]110904
6
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a
b c
MaterialsScienceandEngineering,2003,21(3):464[2]㊀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.
carbonnanotube[J].JournalofChemicalIndustry&NIEHaiyu.Progressofapplicationandresearchfor-468.
ε′r
[1**********]
f /G H z
a b c
[3]㊀KENNETHB,TEOLK.CarbonNanotubesasCold[4]㊀闫晓琦,郭雪芹,王达,等.碳纳米管的储氢机理
Cathod[J].Nature,2005,437:968.
Engineering,2005,25(5):34-37.
70ε″r
500. 80. 60. 40. 2
2
4
[1**********]8
[5]㊀f /G H z
1. 2a
b c
1μ′0. 80. 6[6]㊀0. 4
24
6
[1**********]
f /G H z
[7]0. 3a
0. 25b c
μ″
0. 20. 15[8]㊀0. 10. 05
2
4
[1**********]8f /G H z
[9]㊀图6 多壁碳纳米管电磁参数
3㊀结本研究采用均匀沉淀法在多壁碳纳米管表面
㊀ 论
均匀包覆四氧化三铁层,改性后的多壁碳纳米管12.15静态磁性能有显著地提高ume/g,矫顽力为20.11,其比饱和磁化强度为
[10]比原始多壁碳纳米管,四氧化三铁包覆的多壁碳
Oe,为软磁材料.对纳米管介电性能明显降低,磁性能略有提高.参考文献:
[1]㊀姜靖雯,彭峰.碳纳米管应用研究现状与进展[J].
[11]材料科学与工程学报,2003,21(3):464-468.JIANGinApplicationJingwen,ResearchPENGFeng.ofCarbonStatusquoNanotubeandProgress
[J].研究[J].实验室科学,2007(5):96.
MechanismYANXiaoqi,[J].LaboratoryofhydrogenGUOXueqin,Science,storage2007(5):ofWANGcarbonDa,96.
nanotubesetal.宋长文及其在聚合物中的应用,颜红侠,李朋博[,J].等.中国塑料碳纳米管表面改性
,2008,22
(1):SONG14SurfaceChangwen,-18.
ModificationYANofCarbonHongxia,NanotubesLIPengbo,andetTheir
al.
XUE(1):ApplicationYajuan,14-18.
inPolymers[J].ChinaPlastics,2008,22
ZHAOYan,ZHENGHao,etal.Elec⁃
[J].trolessWUHNewplatingQ,CarbonofCoCAOYMaterials,2010,25(1)-FeonthesurfaceJ,YUANPS,etal.:of65MWCNTs
Controlled
-69.
structureandmagneticpropertiesofFe1-X-
QIU[J].Nisynthesis,xalloyminaT,ChemicalnanoparticlesnanotubesWUXPhysicsL,coaxiallyHUANGLetters,2005,406attachedoncarbonGS,etal.Individual:148nanotubes-153.nanotubes
alu⁃
60.
andnanowires[J].ThinSolidwrappingFilms,2005,478:carbon56-
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.
al.JIANGPreparationFengjing,PUandHongting,propertiesYANGofsoftZhenglong,magneticet
孙强强[J].compositesNewCarbonbasedMaterials,onFe3O42007,24(4):coatedcarbon371nanotubes
-374.
纳米氧化锌,韩选利[J].,应用化工项中毅.,均匀沉淀结合微波制备
2011,40(12):2172-2175.
SUNPreparationQiangqiang,HANXuanli,XIANGZhongyi.2011,andmicrowaveofnano40(12):heating[J].ZnObytheAppliedcooperationChemicalprecipitation
2172-2175.
Industry,
谭宏斌[J].陶瓷学报,马小玲.纳米铁氧体吸波材料研究进展
crystallineTANHongbin,,ferriteMA2008,absorberXiaoling.29(1):77materialAn-overview80.
[J].Journalofnano⁃Ceramics,2008,29(1):77-80.
of㊀
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
8002.
㊃ 107㊃
[12]WANGYan,ZHAOYan,BAOTianjiao.Preparation
activatedelectrolessdepositionandtheirmagnetic
ofNi⁃reducedgrapheneoxidenanocompositesbyPd⁃[17]FANXJ,LIX.Preparationandmagneticpropertyof
2012,27(2):111-116.
nanoparticles[J].NEWCARBONMATERIALS,andelectrochemicalperformanceofnanostructured(55):1140-1144.
multiwalledcarbonnanotubesdecoratedbyFe3O4
[13]LIUY,JIANGW,WANGY.SynthesisofFe3O4/
8603-8608.
properties[J].AppliedSurfaceScience,2012,258:CNTsmagneticnanocompositesattheliquid⁃liquid
[18]HEYang,HUANGLing,CAIJinShu,etal.Structure
Fe3O4/carbonnanotubecompositesasanodesfor
[14]SUIJiehe,LIJing,LIZhiguo,etal.Synthesisand
ChemistryandPhysics,2012,134:229-234.novel
carbon
nanotubes/Fe3O4
inorganic
alyticCNTs/Fe3O4-ZnOnanohybrids[J].Materials
hybrid
characterizationofone⁃dimensionalmagneticphotocat⁃
321:408–-412.
JournalofMagnetismandMagneticMaterials,2009,
interfaceusingoleateassurfactantandreactant[J].
lithiumionbatteries[J].ElectrochimicaActa,2010[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.dependentsaturationmagnetizationandCurietempera⁃LIPingyun,CAOZhenhua,LUHaiming,etal.Size⁃
[15]ZHAOYingqing,ZHAORui,LEIYajie,etal.A
material:Synthesis,characterizationandmicrowaveandMagneticMaterials,2011,323:1006-1010.electromagneticproperties[J].JournalofMagnetismassemblyofFe3O4nanoparticlesoncarbonnanotubes[J].AppliedSurfaceScience,2009,255:7999-
[20]BAOTianjiao,ZHAOYan,SUXiaofeng,etal.A
walledcarbonnanotubes(Co-MWCNTs)composites.906-912.
studyoftheelectromagneticpropertiesofCobalt⁃multi⁃[J].MaterialsScienceandEngineeringB,2011,176:
University(NaturalSciences),2009,4(2):193-196.
tureofnanocrystallinenickel[J].JournalofNanjing
[16]LIUY,JIANGW,LIS,etal.Electrostaticself⁃
(编辑㊀ 张积宾)