离子液体中Fe3O4多级结构的构筑及磁性研究

Based on the unique properties of ionic liquids (ILs) and combined with the advantages of hydrothermal/solvothermal methods, a new method, ILs-assisted complex solvothermal route, will be used for the synthesis of Fe3O4 hierarchical superstructures to prevent the agglomeration of Fe3O4 nanomaterials and overcome the “superparamagnetic limit”, which is benefit for the application of Fe3O4 nanomaterials. In this project, (I) ILs with special properties, served as templates, reactants, or solvents, will be applied in the synthesis of Fe3O4 hierarchical superstructures; (II) Fe3O4 hierarchical superstructures with special morphologies and excellent magnetic properties will be fabricated by changing the content of ILs, reaction temperature, reaction time, and so on; (III) based on the synthesis process, the growth habits of the products, and the properties of the ILs, the self-assembled mechanism of the products and the action mechanism of the ILs will be further discussed. This reaearch can pave the way for the synthesis of Fe3O4 hierarchical superstructures and will, in turn, motivate the developments of ILs in the inorganic nanomaterials synthesis; moreover, these ILs-assisted routes may offer a novel pathway towards the synthesis of other self-assembled nanomaterial.

本项目基于离子液体的特殊性质，结合水热/溶剂热技术的优点，选用离子液体辅助复合溶剂热法构筑Fe3O4多级结构，以防止Fe3O4纳米材料的团聚和克服“超顺磁限制”，从而更有利于其实际应用。项目拟选择具有特殊性质的离子液体，令其在反应体系中作为模板剂、反应物或溶剂，通过改变离子液体的用量、反应温度和反应时间等条件，合成具有特殊形貌和优异磁学性能的Fe3O4多级结构；根据合成工艺、材料生长习性和离子液体特性等，探索产物的自组装机理和离子液体的作用机理。该研究对于Fe3O4多级结构的合成具有一定的意义，并且有利于离子液体在无机纳米材料合成领域的发展；同时，该研究为自组装纳米材料的研究提供一定的科学依据。

研究表明，金属氧化物微/纳米材料的晶体结构、表面结构、尺寸和形貌等对其性能具有重要影响。因此，探索新合成方法，调控合成具有特殊形貌的金属氧化物微/纳米材料，不仅有利于获得性能良好的材料并赋予其特殊的物理化学特性，而且对于深入研究材料结构与性能的关系具有一定的意义。本项目基于离子液体的特殊性质，选择具有特殊功能的长链离子液体为稳定剂，采用简单的水热合成技术，成功地制备出单分散Fe3O4纳米晶，有效地防止Fe3O4纳米材料的团聚和克服“超顺磁限制”。另外，本项目以复合溶剂热法为基础，采用离子液体或有机溶剂为模板剂等，调控合成出一系列具有特殊形貌的金属氧化物纳米材料和多级结构，例如NiO纳米片、CuO多级结构、CuO纳米片、ZnO多级结构、ZnO纳米棒和Li4Ti5O12-TiO2多级微米球等。获得的Fe3O4、CuO、ZnO和Li4Ti5O12-TiO2等微/纳米材料具有优异的磁学、电化学和光催化等性能，从而在生物医学、磁记录材料、锂离子电池和光催化等领域有着巨大的应用前景。本项目对产物的晶体结构、表面结构、形貌、尺寸和物理性能等进行分析研究，深入探讨材料结构与性能的内在关系。本项目根据合成工艺、材料生长习性和离子液体特性等，探索产物的生长机理和离子液体在微/纳米材料生长过程中的作用机理。本项目证实了离子液体及有机溶剂辅助水热法合成金属氧化物纳米材料和多级结构的可行性，既进一步拓宽了离子液体和有机溶剂的应用范围，又为金属氧化物纳米材料和多级结构的控制合成提供了新思路和新途径。在项目执行期间，共发表研究论文7篇，其中SCI收录6篇；获得国家发明专利2项；获批1项国家自然科学基金青年项目和1项河南省高校科技创新人才项目。