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水热法合成BiFeO3纳米晶体开题报告

 2020-02-10 10:02  

1. 研究目的与意义(文献综述)

具有菱面体畸变钙钛矿结构的铁酸铋是目前已知的唯一一种在室温下同时具有铁电性和g型反铁磁性,并且这两种铁性有序之间存在磁性耦合效应的单相多铁性材料。其远高于室温的铁电居里温度(tc~830℃)和反铁磁奈尔温度(tn~370℃)使得它在存储设备,传感器,卫星通信,光学滤波器和智能设备等领域具有广阔的应用前景。此外,bifeo3由于其合适的带隙(~2.2 ev)和优异的化学稳定性、无铅无毒的环保特性还可作为一种重要的可见光响应型光催化剂用于水分解和有机污染物的降解。不仅如此,作为拥有良好的载流子传输性能的小带隙铁电体,铁酸铋在吸收可见光的太阳能电池和诸如飞秒激光脉冲等光电器件领域同样具有潜在的应用。因而,具有多种优异性能的铁酸铋材料备受科研人员的瞩目。此外,由于空间几何效应,颗粒材料的形状和尺寸极大地影响着其磁学,电学和光学性质。因此,铁酸铋的制备及其形貌和尺寸的控制便成为近年科研人员研究的重中之重。

近些年来,已有许多铁酸铋纳米材料的制备方法被报道。这些方法总体上可分为固态反应法和湿化学法两大类。然而,由于bifeo3在高温下的稳定性差,传统的用于合成bifeo3的固态反应法通常会导致杂质相的生成,例如bi2fe4o9,bi2o3或bi25feo40。其次,尽管溶胶 - 凝胶法,共沉淀法,微乳液法,自燃法等属于湿化学法的制备方法相较于固态反应法更为节约资金与能源,但是在这些湿化学法之中,水热反应法更胜一筹。它不仅操作更为简单,可免去烧结过程,还可在较低的温度下制备出铁酸铋纯相,从而避免铁酸铋的分解和杂相的生成。更为重要的是,水热法便于控制影响物相及其形貌尺寸的因素,例如矿化剂的浓度,温度,压力,表面活性剂等等。因此,水热反应法是制备铁酸铋纳米材料的首选方法。

值得庆幸的是,前人在水热法合成铁酸铋纯相及其形貌尺寸控制上已经取得了一定的研究成果。xu等人在140-240℃温度范围内,koh浓度在4-14mol/l范围内合成出铁酸铋纯相。他们发现高koh浓度、低过饱和度和较慢的冷却速率利于生成形状规则且尺寸较大的铁酸铋晶体。其中,koh浓度对于规则的形貌的影响更为显著:随着koh浓度的增加,铁酸铋晶体的形状从不规则片状变为三维的八面体。他们还发现增加装填量可减少铁酸铋晶体的表面缺陷。di等人研究了前驱体溶液中fe3 和bi3 的物质的量浓度对水热法合成铁酸铋相和形貌的影响。他们发现,当fe3 和bi3 浓度相等且分别为0.025m,0.05m,0.0375m,0.0625m时,铁酸铋的形貌分别是尺寸为100-200nm的立方状颗粒,由尺寸在几百纳米的不规则颗粒组成的约30-40μm规则球状聚合体,由尺寸在几百纳米的不规则颗粒组成的花型聚合体和500-600nm的八面体颗粒。当其浓度高于或低于这个范围,均有杂相生成。wei等人则在尿素的辅助下在120℃下合成出由平均尺寸在100-150nm的小颗粒组成的直径约15μm的球状微晶,这是目前已知的水热合成铁酸铋所需的最低温度。wang等人在硝酸钾的辅助下在200℃合成出约5nm的铁酸铋纳米颗粒。

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2. 研究的基本内容与方案

2.1研究的基本内容

材料制备:利用水热法合成铁酸铋纳米晶体,探索oh-浓度,反应温度,反应时间,辅助剂种类共计四个因素对产物物相和形貌的影响,确定水热合成铁酸铋纳米晶体的最佳条件。

材料表征:

xrd测试产物元素和物相组成;
sem测试产物形貌;
热分析系统测试其铁电居里温度;

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3. 研究计划与安排

第一周-第二周:查阅相关文献资料,完成英文翻译。明确研究内容,了解研究所需原料、仪器和设备。确定技术方案,并完成开题报告。

第三-九周:按照设计方案,探究oh-浓度,反应时间,温度,辅助剂对产物物相及尺寸和形貌的影响;

第十周:选择合适的样品进行磁学和光学性能测试;

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4. 参考文献(12篇以上)

[1] catalan g, scott j f. physics and applications of bismuth ferrite[j]. advanced materials, 2009, 21(24): 2463-2485.

[2]周浩,高荣礼,符春林.铁酸铋薄膜光伏效应研究进展[j].表面技术,2016,45(07):128-135.

[3]qiu z c, zhou j p, zhu g, et al. hydrothermal synthesis of perovskite bismuth ferrite crystallites with the help of nh4cl[j]. journal of nanoscience and nanotechnology, 2012, 12(8): 6552-6557.

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