生物分级结构磁电氧化物的制备及性能研究

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材料是人类文明的重要物质基础,对社会的进步具有重要的影响。材料的性能除了与其化学成分有关,也在很大程度上取决于其结构。成份相同结构不同的材料,表现出的功能特性也有很大不同。所以,当前材料领域研究的热点之一就是材料精细结构与其功能特性间的耦合效应。自然界中一些生物的精细结构和优异功能特性给人们在制造和改善材料的过程中带来了很多灵感和启发。自然界的生物经过亿万年的进化,形成了各种各样的微观形貌及结构。生物体的分级结构与构成生物体的物质,具有结构功能一体化。蝴蝶的翅膀具有精细的分级结构,形成鳞片的甲壳素的折射率与空气的折射率不同,入射光在蝴蝶翅膀分级结构中会产生各种各样的光学响应,如散射、衍射等。各种各样的光学响应,使得蝴蝶具有绚丽多彩的颜色。此外,对光的捕捉能力是某些蝴蝶的另一功能特性。虽然蝴蝶翅膀的成分较为简单,但可实现求偶、捕食等各种功能,这要归功于其结构的千变万化。蝴蝶的精细结构不仅对其本身具有重要的意义,也给材料的设计研究提供了新的启迪与指导。用具有各种物理化学性质的其它物质来替换蝴蝶的原始材质,有望设计制备出具有良好功能特性的新材料。已有的研究主要集中在二元氧化物的制备及其光学性能研究,有关三元氧化物,特别是磁电氧化物的研究鲜有报道。本研究将遗态材料的思想应用于制备具有生物分级结构的磁电材料,为磁电材料的制备提供了新的方法和思路。以两种不同种类的蝴蝶为原始模板,研究了铁酸铋-钛酸铋钠和铁酸锌功能材料的制备工艺及功能特性。主要研究内容和结果如下:1)针对铁酸铋稳定温度范围窄,容易形成杂相的特点,掺入钛酸铋钠形成固溶体,通过对成分、烧结工艺的探索,成功制备了纯相铁酸铋-钛酸铋钠粉末,并研究了其光催化性能和磁性能。钛酸铋钠的引入能有效抑制杂质相的形成,纯相铁酸铋-钛酸铋钠粉末的禁带宽度为2.08eV,并具有良好的可见光光催化性能和室温铁磁性能。2)选择两种不同的蝴蝶:大紫蛱蝶和巴黎翠凤蝶作为原始模板,其中大紫蛱蝶具有周期性类光子晶体结构,巴黎翠凤蝶具有准周期性的准蜂窝状结构。本文研究制备铁酸盐遗态材料的方法,主要是改善制备工艺参数,并采用XRD、FESEM等表征方法,研究铁酸盐遗态材料的晶型、形貌、微观结构等信息,成功获得了具有蝴蝶鳞片精细结构的铁酸盐功能材料。3)采用溶胶-凝胶然后烧结的方法,成功制备了具有大紫蛱蝶鳞片结构的铁酸铋-钛酸铋钠复制品,并研究了光催化性能和磁性能,结果表明与无模板结构的铁酸铋-钛酸铋钠粉末相比,该复制品具有良好的铁磁性和更高效的光催化活性。4)采用溶胶-凝胶然后烧结的方法,成功制备了具有大紫蛱蝶和巴黎翠凤蝶鳞片结构的铁酸锌复制品,并研究了电化学性能和磁性能,结果表明与无模板结构的铁酸锌粉末相比,这两种复制品的比电容增大了约1倍,磁性能也有明显不同。
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