發(fā)布時間：2017-12-21 19:39

  本文關(guān)鍵詞：鐵氧體材料的原子氫化機理及改性研究　出處：《北京科技大學》2017年博士論文　論文類型：學位論文

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【摘要】：研究表明,氫對多種氧化物材料的電學、磁學、光學等性能都能起到顯著的改性作用,如在氧化鋅、二氧化鈦、鐵電陶瓷等材料中。原子氫對氧化物材料的改性作用近年來引起了越來越多的研究關(guān)注。但是目前國內(nèi)外在原子氫化鐵氧體材料的改性作用、機理解釋和應(yīng)用等方面尚缺乏較為系統(tǒng)的研究。本文以典型鐵氧體材料為研究對象,包括尖晶石結(jié)構(gòu)的ZnFe2O4、(NiCuZn) Fe2O4鐵氧體和六方結(jié)構(gòu)的a-Fe2O3、Co2Z鐵氧體,系統(tǒng)地研究了原子氫對鐵氧體材料侵入、存在以及擴散的行為機理和原子氫化鐵氧體材料的改性規(guī)律,并探討了原子氫化改性鐵氧體材料的應(yīng)用前景。具體歸納如下：1)研究了原子氫對鐵氧體材料的侵入機理。侵入機制在于電化學陰極過程產(chǎn)生的原子氫擴散至鐵氧體材料表面吸附、溶解進入鐵氧體中并對其性能造成影響。鐵氧體氫化過程中的氫含量及電導(dǎo)率變化曲線符合指數(shù)函數(shù)關(guān)系,原子氫在鐵氧體材料中的侵入是由溫度、電流密度、電解質(zhì)狀態(tài)、樣品表面狀態(tài)等一系列動力學參數(shù)所控制的可控過程。計算結(jié)果表明,原子氫在鐵氧體表面的吸附是一種化學吸附作用,其吸附激活能為823kJ/mol。2)探討了原子氫侵入鐵氧體材料后的存在形式。原子氫在鐵氧體材料中的存在情況是復(fù)雜的,包括有間隙氫、負氫離子、正氫離子同時存在。X射線衍射結(jié)果也發(fā)現(xiàn)了原子氫與鐵成鍵的情況,證明了FeHHx的存在；氫化作用使得鐵氧體的結(jié)晶性劣化：氫化鐵氧體晶格常數(shù)的變化和晶型有關(guān),氫化會使尖晶石結(jié)構(gòu)ZnFe204的晶格常數(shù)減小,而六方的a-Fe203和平面六角結(jié)構(gòu)的Co2Z鐵氧體氫化過程中的晶格常數(shù)呈先增大后減小的規(guī)律。X射線光電子能譜結(jié)果表明,原子氫化的鐵氧體材料中生成了Fe2+,最表面的Fe2+含量最高達到了34%。利用同步輻射x射線吸收精細譜研究了元素局域結(jié)構(gòu),結(jié)果表明陽離子與氧的配位數(shù)減小,說明氫化作用形成了一定的氧空位。紅外圖譜及光電子能譜結(jié)果表明鐵氧體在原子氫化過程中可能還形成了羥基。3)研究了原子氫侵入鐵氧體后的擴散行為。原子氫在鐵氧體材料中會進一步在化學勢作用下向深度方向擴散,對鐵氧體中各個元素的含量及化學狀態(tài)造成影響。俄歇電子能譜結(jié)果表明,氫化鐵氧體是在擴散作用下的非均相材料,其中氧元素在氫化作用下具有很高的擴散系數(shù),達到5×10-8m2/s。氫化鐵氧體顯示出嚴重的氧缺失情況,是具有高濃度氧空位缺陷的化合物,計算得到的氫化鋅鐵氧體的平均化學式為：Zn2+(Fe0.542+Fe1.463+)O3.222-2H1.08-H0.06+,是正、負氫離子的共存體系及一種新型的氧氫化物材料。4)研究了原子氫化鐵氧體的性能變化規(guī)律。原子氫的侵入對鐵氧體材料的電導(dǎo)率產(chǎn)生了巨大的影響,在常溫短時間內(nèi)氫化鐵氧體材料的電導(dǎo)率有10個數(shù)量級的提升,其電導(dǎo)率最高達到24 S/m,接近金屬電導(dǎo)率的水平。原子氫的侵入還改變了鐵氧體材料的光學性質(zhì),氫化鐵氧體材料對可見光波段的吸收能力顯著增強,表明其禁帶寬度發(fā)生窄化,其中40分鐘氫化ZnFe2O4和a-Fe2O3的禁帶寬度分別下降到1.33 eV和0.96 eV。原子氫化改變了鐵氧體材料的磁性能,能將其飽和磁感應(yīng)強度增大120倍,在ZnFe2O4鐵氧體氫化過程中還發(fā)現(xiàn)了順磁-亞鐵磁轉(zhuǎn)變的現(xiàn)象。通過對比氫化前后鐵氧體材料的光催化性能,發(fā)現(xiàn)氫化作用能將鐵氧體材料的光催化降解有機物能力大幅度地提升,降解的表觀速率最高提升了8.6倍。氫化鐵氧體材料在多種有機物上都保持了良好的催化降解能力,并且具有良好的穩(wěn)定性。通過以上對原子氫在鐵氧體材料的行為影響研究,得到了系統(tǒng)的原子氫侵入、存在、擴散的規(guī)律和機理,并且得到了氫化鐵氧體材料的電學、磁學、光學和光催化性能的變化規(guī)律。本文為原子氫在其他氧化物材料中的行為規(guī)律研究提供了實驗和理論參考,為進一步的氫化材料開發(fā)研究提供幫助。
【學位授予單位】：北京科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TM277

【參考文獻】

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2 蔣文春;鞏建鳴;唐建群;陳虎;涂善東;;焊接殘余應(yīng)力對氫擴散影響的有限元模擬[J];金屬學報;2006年11期

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本文編號：1316941