纳米Fe_(3)O_(4)增强硅橡胶与铁氧体的界面黏结特性试验研究

目的探究纳米Fe_(3)O_(4)增强硅橡胶与铁氧体的界面黏结特性。方法分别开展准静态拉伸试验、界面法向和切向黏结强度试验。采用超弹性理论,分析纳米Fe_(3)O_(4)增强硅橡胶材料的拉伸行为,采用双线性和指数内聚力模型,分析纳米Fe_(3)O_(4)增强与铁氧体的界面破坏行为。结果通过拉伸试验获得了不同纳米Fe_(3)O_(4)含量的硅橡胶的工程应力应变曲线及两参数Mooney-Rivlin模型,小变形范围的模型误差在1%以内,大变形范围的最大误差为3.8%。通过界面强度试验,获得了不同纳米Fe_(3)O_(4)含量的硅橡胶和铁氧体界面的法向和切向力-位移曲线、黏结强度和界面断裂能,得到了界面法向和切向黏结强度内聚力模型参数。结论随着纳米Fe_(3)O_(4)含量增加,硅橡胶的拉伸强度增加,界面法向黏结强度和断裂能增大,而切向黏结强度和断裂能变化不显著。双线性内聚力模型更适合作为纳米Fe_(3)O_(4)增强硅橡胶与铁氧体的界面黏结强度表征模型,界面法向和切向黏结强度变化规律与实测值的吻合程度更高。

纳米Fe_(3)O_(4)在煤微生物降解产CH_(4)过程中的催化作用

目的为了研究纳米Fe_(3)O_(4)在微生物降解煤产甲烷(CH_(4))过程中的催化作用,方法采用晋城矿区矿井水和中原油田土壤中的两种菌群(厌氧消化菌,义马矿区)的煤样,考查温度和纳米Fe_(3)O_(4)添加量对反应体系产CH_(4)摩尔浓度的影响,分析产CH_(4)过程中伴随气体CO_(2)和H_(2)的摩尔浓度变化及其对CH_(4)摩尔浓度的影响,评估厌氧消化产CH_(4)反应体系中铁的作用和最大负载量。结果通过分析厌氧性产CH_(4)古菌和多环芳烃分解菌共营降解煤的生物化学过程,认为煤降解产CH_(4)厌氧反应由两个主要步骤组成:一是稠环芳烃活化的羧化反应,该反应使煤被多环芳烃分解菌降解为甲苯酚和2-萘甲酸等化合物;二是产甲烷古菌利用煤分解产生的有机酸、甲基和气体等,通过辅酶的生物化学反应生成CH_(4),该过程CH_(4)产气量随温度升高而增大,起始反应需要大量CO_(2)气体。在产甲烷古菌和多环芳烃分解菌共营系统中添加纳米Fe_(3)O_(4)后,产CH_(4)量增加了39.6%~50.8%。纳米Fe_(3)O_(4)对生物化学过程的催化作用表现在促进中间产物(H_(2)和CO_(2)等)的生成,同时生物化学反应通过消耗H_(2)和含氧有机物并生成液态水以降低密闭实验系统的气体总压力,使催化反应持续正向进行。结论纳米Fe_(3)O_(4)对微生物降解煤产CH_(4)的催化作用需要多菌种互营环境,催化过程中存在最佳负载量。

双金属Ag-Cu纳米粒子负载的Fe_(3)O_(4)磁性复合材料的制备及其催化性能

通过溶剂热法合成中空多孔性Fe_(3)O_(4)@乙二胺四乙酸(EDTA)磁性载体;以柠檬酸钠和NaBH_(4)为共还原剂将双金属Ag-Cu纳米粒子负载于Fe_(3)O_(4)@EDTA磁性载体(Fe_(3)O_(4)@EDTA@Ag-Cu NPs)的孔道内外,并采用XRD、SEM、TEM、EDX和VSM等技术对制备的磁性复合材料进行详细表征。t=25℃考察了Fe_(3)O_(4)@EDTA@Ag-Cu NPs在NaBH_(4)体系中对4-硝基苯胺的催化还原性能。结果表明,Fe_(3)O_(4)@EDTA@Ag-Cu NPs的表观速率常数分别为Fe_(3)O_(4)@EDTA@Cu NPs、Fe_(3)O_(4)@EDTA@Ag NPs的6.5、2.1倍,均符合一级动力学方程,证实了Ag和Cu NPs之间具有明显的协同效应。Fe_(3)O_(4)@EDTA@Ag-Cu NPs经过5次循环利用后其催化降解率仍高于95%,表明该复合材料在水处理领域中具有潜在的应用价值。

Fe_(3)O_(4)纳米颗粒的共沉淀法制备及其性能研究

目的:开发高效、清洁、经济的磁性纳米颗粒,进一步推动磁絮凝法在污水处理中的应用。方法:采用共沉淀法制备了四氧化三铁(Fe_(3)O_(4))纳米颗粒,研究了n(Fe^(3+))∶n(Fe^(2+))配比及反应温度对颗粒形貌、粒径、结构、表面官能团、Zeta电位等的影响,并测试了样品的磁性能。结果:n(Fe^(3+))∶n(Fe^(2+))配比为1.75∶1,反应温度为50℃时,共沉淀法制备Fe_(3)O_(4)纳米颗粒粒径为10~80 nm,晶型稳定,表面基团-OH较多,Zeta电位绝对值小;其饱和磁化强度为67.18 emu·g^(-1),矫顽力为3242.00 A·m^(-1),剩余磁化强度为4.47 emu·g^(-1)。结论:采用共沉淀法制备获得Fe_(3)O_(4)纳米颗粒,可作为优良的磁絮凝材料促进水中的絮凝反应。

耐盐性PAM-AMPS/Fe_(3)O_(4)纳米减阻剂流变性

采用丙烯酰胺/2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AM/AMPS)共聚物接枝纳米Fe_(3)O_(4)合成了一种PAM-AMPS/Fe_(3)O_(4)纳米减阻剂,并利用动态流变仪研究了PAM-AMPS/Fe_(3)O_(4)减阻剂的剪切稀释性,分析了纳米Fe_(3)O_(4)、盐含量及剪切作用对其流变行为的影响规律。结果表明:PAM-AMPS/Fe_(3)O_(4)纳米减阻剂的粒径为100~500 nm、黏均分子质量为4.99×10^(6)g/mol;在30℃下,剪切速率大于0.3 s^(-1)时PAM-AMPS/Fe_(3)O_(4)减阻剂表现出显著的剪切稀释特征,该减阻剂具有更复杂的微观结构,其超临界质量分数为0.035%,相比空白聚合物表现出更优良的增黏性能和黏弹性;由于AMPS含有耐温耐盐基团,在NaCl和CaCl2质量分数分别为10%和5%的条件下,PAM-AMPS/Fe_(3)O_(4)减阻剂黏度保留率分别为69%和53%,表现出了较强的耐盐性;同时,该减阻剂在剪切速率1000 s^(-1)条件下剪切3600、7200 s后的黏度回复率分别为100%和94%,表现出良好的耐剪切性。

Fe_(3)O_(4)/PDA复合纳米材料回收高黏度油田采出水中油相的研究

高黏度油田采出水通常呈现乳浊液的状态,难以实现油水分离。本文采用共沉淀法制备Fe_(3)O_(4)纳米颗粒,在超声波辅助下将聚多巴胺(PDA)与纳米Fe_(3)O_(4)键合,制得Fe_(3)O_(4)/PDA复合材料,并采用FTIR、显微镜、物理吸附仪等表征。在交变磁场作用下,实现油田采出水破乳,达到油水分离的目的。并考察了Fe_(3)O_(4)/PDA复合材料稳定循环使用次数、交变磁场频率对回收油相效率的影响。结果表明,在极低磁场频率6.0 Hz下,所制备材料可稳定循环使用11次,为油田采出水重复利用和高附加值油相的回收利用提供了有效、便捷的方法。

“新工科”背景下生物制药专业多学科交叉融合的探索研究——以Fe_(3)O_(4)@SiO_(2)核壳磁性纳米粒子的制备及应用实验为例

“新工科”背景下,多学科交叉融合已成为生物制药专业教学育人的新方式,对培养“明德求真,弘药济世”的卓越应用型工程人才具有重要意义。本文将以Fe_(3)O_(4)@SiO_(2)核壳磁性纳米粒子的制备及应用实验为例,顺应教育部“三全育人”的战略要求,在调动学生科研的积极性和主动性的同时,探索生物制药与有机化学之间的联系,挖掘多学科交叉融合的独特优势,提高学生的科学探究能力和实验操作能力。

钠离子电池正极材料Na_(4)Fe_(3-x)Cr_(x)(PO_(4))_(2)P_(2)O_(7)/C@CNT的制备及电化学性能研究

为改善钠离子电池正极材料Na_(4)Fe_(3)(PO_(4))_(2)P_(2)O_(7)的导电性,提高其充放电性能,采用Cr^(3+)掺杂提高正极材料本征导电性,采用包覆碳和复合碳纳米管(CNT)构筑高效导电网络以加快纳米活性物颗粒间的电子传导,制备并探究了Na_(4)Fe_(3-x)Cr_(x)(PO_(4))_(2)P_(2)O_(7)/C@CNT复合材料的结构与电化学性能。结果表明,当Cr^(3+)掺杂量x为0.075、CNT添加质量分数为3%时,所制备材料表现出较小的电荷传递阻抗和优异的高倍率充放电性能。其0.1 C和20 C倍率下的放电比容量分别达到120.64 mAh/g和87.11 mAh/g,10 C倍率下循环500次后容量保持率高达92.37%。

Fe_(3)O_(4)@SiO_(2)磁性吸附剂的制备及其对Er(Ⅲ)和Ho(Ⅲ)的吸附性能

稀土资源的开采伴随着稀土离子排放,对水资源造成了严重污染。吸附法是处理水相稀土离子污染的一种高效技术,磁性吸附剂能够加速固液分离,具有较大的研究价值。本研究以FeCl_(3)·6H_(2)O、甘醇、醋酸钠、聚乙二醇(PEG2000)等为原料,采用溶剂热法在200℃的条件下制备粒径约为230 nm的Fe_(3)O_(4)磁性纳米颗粒,将其加入正硅酸乙酯中,利用氨水水解聚合,即可形成粒径约为300 nm的Fe_(3)O_(4)@SiO_(2)磁性吸附剂材料。此复合材料为核壳结构,包含Fe_(3)O_(4)和SiO_(2)两种晶型结构。SiO_(2)的包覆未对Fe_(3)O_(4)物相结构产生较大影响,在包覆的同时能够显现出一定的磁性性能。此复合材料对Er(Ⅲ)和Ho(Ⅲ)的最大吸附容量分别达到10.03 mg/g和5.25 mg/g。

交联羧甲基-β-环糊精聚合物修饰的Fe_(3) O_(4)磁性纳米粒子对盐酸阿霉素的负载和释放研究

采用共沉淀法制备了交联羧甲基-β-环糊精聚合物修饰的Fe_(3) O_(4)磁性纳米粒子(MNPs@CDP),将其作为药物载体负载抗癌药物盐酸阿霉素(DOX),通过MTT实验来评估MNPs@CDP的生物相容性和吸附DOX后复合物(MNPs@CDP/DOX)的细胞毒性,并通过荧光成像技术观察了MNPs@CDP/DOX中DOX在HepG2肝癌细胞中的释放情况。结果表明MNPs@CDP在小于30 mg/mL的浓度范围内表现出了较好的生物相容性,并且MNPs@CDP/DOX和HepG2细胞共培养4 h后能够在细胞中释放大量药物,并能够有效杀死癌细胞。

乳液聚合法制备聚(苯乙烯-丙烯腈)/Fe_(3)O_(4)磁性微球及对亚甲基蓝吸附性能研究

本文以苯乙烯(St)、丙烯腈(AN)原料,采用乳液聚合法在Fe_(3)O_(4)磁流体存在下进行双层表面活性剂的修饰制备了聚(苯乙烯-丙烯腈)/Fe_(3)O_(4)磁性高分子微球。进行了红外光谱(IR)、X-射线衍射仪(XRD)、粒径分析等手段表征磁性微球的组成成分,探究了不同比例的微球对亚甲基蓝的吸附性。最后,对比了不同乳液聚合体系中磁流体的添加量、聚合温度、单体加入方式等因素对聚(苯乙烯-丙烯腈)磁性微球粒径、分散度的影响及其对亚甲基蓝的吸附效果。结果表明:乳化温度30℃,磁流体添加量30 mL,采用逐一加入摩尔比为1:1的单体时得到的微球粒径最小(为1417.6 nm),且粒径分布均匀;乳化温度30℃,磁流体添加量40 mL,采用逐一加入摩尔比为1:1的单体对亚甲基蓝吸附效果最好去除率可以达到80%。

纳米Fe_(3)O_(4)对沼液MFC产电特性与有机物降解的影响

为了提高微生物燃料电池(MFC)对沼液中有机质的降解和产电效率,将纳米Fe_(3)O_(4)与MFC结合,考察了纳米Fe_(3)O_(4)以Fe_(3)O_(4)@生物炭和Fe_(3)O_(4)@碳毡两种不同介入方式对MFC性能的影响。结果表明,两种方式均可成功启动MFC,且产电效率远高于无纳米Fe_(3)O_(4)介入的空白实验,最高电压分别为699和707 mV,最高电压持续时间均可长达10 d。Fe_(3)O_(4)@碳毡与Fe_(3)O_(4)@生物炭介入下,MFC最大功率密度分别为700和578 mW/m^(2),比未使用纳米Fe_(3)O_(4)的MFC提高了43%和31%。将Fe_(3)O_(4)@碳毡作为阳极电极得到的化学需氧量(COD)降解率最高,为51.76%;直接投加Fe_(3)O_(4)@生物炭对NH_(4)^(+)-N的降解影响最大,投加Fe_(3)O_(4)@生物炭后NH_(4)^(+)-N含量由(6800.14±57.86)mg/L降至(689.14±37.29)mg/L,NH_(4)^(+)-N降解率达到89.87%。纳米Fe_(3)O_(4)参与的MFC微生物群落结构合理,两种介入方式均刺激了主要水解细菌梭菌纲(Clostridia)的生长富集。随着纳米Fe_(3)O_(4)的位置变化,Clostridia的相对丰度在以Fe_(3)O_(4)@生物炭和Fe_(3)O_(4)@碳毡介入的MFC中分别达到61.11%、50.98%。二者的电活化细菌中β-变形菌纲(Betaproteobacteria)含量最高,并且在反应后碳毡上发现了反硝化细菌芽孢八叠球菌属(Sporosarcina)。

功能性Fe_(3)O_(4)纳米颗粒在痕量农药残留分析中的应用研究进展

未被有效利用的农药经环境与膳食暴露,可能影响食品安全,进而在人体内形成微量残留,成为危害人体健康的潜在因素。相较环境水及水果蔬菜等常规样品而言,由于人体样本具有复杂的基质效应及农药痕量残留水平的特点,包括液-液萃取和固相萃取等在内的传统样品前处理方法很难实现对复杂基质中不同种类痕量农药的检测分析。为了解决复杂基质样本中痕量农药检测的难题,靶向性的纳米吸附剂被陆续开发出来。本文介绍了具备高效分离特性的纳米吸附剂——功能性Fe_(3)O_(4)纳米颗粒用于痕量农药残留分析的技术趋势,包括其磁核合成方式(化学共沉淀、热分解、溶剂热反应等)、功能基团修饰类型(天然高分子聚合物、碳基材料、金属有机框架材料和无机材料等)、应用基质(环境水、水果蔬菜及生物样本)以及适用农药种类和检测分析效率;重点介绍了该类纳米颗粒的靶向性制备原理、应用特点和最新研究进展,分析了目前基于功能性Fe_(3)O_(4)纳米颗粒分析痕量农药过程中尚待改进的问题和未来应用前景,以期为新型纳米吸附方法的拓展性应用提供理论参考。

不规则形貌纳米Fe_(3)O_(4)介导的磁场机械力杀伤肿瘤细胞

目的考察Fe_(3)O_(4)纳米颗粒在低频振动磁场(low-frequency vibrating magnetic field,VMF)驱动下通过磁场机械力杀伤肿瘤细胞的效果。方法通过共沉淀法合成一种磁性强、具有不规则形貌的立方相Fe_(3)O_(4)纳米颗粒。将其置于本课题组自制的VMF中,研究其介导的磁场机械力对肿瘤细胞的杀伤效果。结果单纯施加VMF对细胞活力无影响;加入Fe_(3)O_(4)纳米颗粒后,细胞活力随VMF处理时间和Fe_(3)O_(4)纳米颗粒浓度的增加而降低,受损细胞释放的乳酸脱氢酶也随磁场处理时间延长而增加。结论不规则形貌Fe_(3)O_(4)纳米颗粒在VMF下可将机械力转移到肿瘤细胞,破坏细胞结构,导致细胞死亡;所采用的VMF装置结构简单、使用安全、操作方便。所采用的磁性粒子及其杀伤肿瘤细胞的方法,有临床转化潜力。

纳米Fe_(3)O_(4)颗粒对离子液体润滑减摩及电控增摩性能的影响

目的提高离子液体在常态环境下的润滑减摩能力及电场条件下的电控增摩响应特性。方法将合成油酸改性后的Fe_(3)O_(4)纳米颗粒分散添加到离子液体中,制备了不同浓度的离子液体基铁磁流体,通过利用自制载流摩擦磨损试验机,分别模拟测试了常态环境与电场环境下纯离子液体与离子液体基铁磁流体摩擦因数的变化,同时利用白光干涉仪、扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)和X射线衍射(XRD)对比分析了磨损形貌。结果在常态环境下,Fe_(3)O_(4)纳米颗粒的“滚珠减摩效应”显著提高了离子液体在常态环境中的润滑效果。随着纳米Fe_(3)O_(4)颗粒质量分数的增加,磨痕逐渐变得光滑平整,剥落和磨粒聚集现象也逐渐消失,尤其是当质量分数为30%时,试样磨痕内部仅有较浅的犁沟和轻微的划痕,此时的摩擦因数也展现出了极低的水平,约为0.04,远低于纯离子液体润滑时的0.085。同时纳米颗粒的“电致沉积效应”增强了离子液体在电场环境中的电控增摩响应能力,当电流强度达到20 A时,对于质量分数为30%的离子液体基铁磁流体,摩擦因数瞬时提高了近1倍,增幅达到了0.039,是相同条件下纯离子液体摩擦因数增长幅度的4倍。结论将合成改性后的Fe_(3)O_(4)纳米颗粒分散添加到离子液体中,成功制备了离子液体基铁磁流体,并且通过调控纳米颗粒含量,显著提高了离子液体的润滑性能和电控增摩响应能力。

Fe_(3)O_(4)@COOH纳米酶比色检测食用纯植物油的过氧化值

利用Fe_(3)O_(4)@COOH纳米酶的类过氧化物酶催化活性,建立比色法检测食用植物油过氧化值(peroxide value,POV)的方法。在0~0.3 g/100 g的POV范围内,5种食用纯植物油(玉米油、花生油、葵花籽油、菜籽油、大豆油)的POV与其吸光度呈现良好的线性关系。该方法能准确检测出3种不同方式(紫外灯照射、烘箱加热、自然放置)氧化处理的食用纯植物油的POV。应用所建立的比色法和国家标准方法,测定5种食用纯植物油(25个样品)的POV,两种方法测定的POV差值均小于0.05,相对标准偏差分别为6.13%、5.84%、6.82%、3.62%、5.75%,表明所构建的比色法对食用纯植物油POV测定具有良好的实用性。本研究为检测食用纯植物油的POV提供了一种快速便捷的方法。

聚乙二醇和二乙二醇对溶剂热法合成Fe_(3)O_(4)纳米粒子的尺寸及形貌调控

采用溶剂热法,通过改变反应体系中聚乙二醇(PEG)用量、PEG分子量、二乙二醇(DEG)体积分数,实现了对Fe_(3)O_(4)纳米粒子的尺寸和形貌调控。利用SEM、TEM、XRD和VSM对制备的Fe_(3)O_(4)纳米粒子进行了表征。结果表明:核桃状的Fe_(3)O_(4)纳米微球由细小的纳米晶粒组成,随着PEG-4000用量的增加,从0.1 g至1.5 g,有利于生成小的Fe_(3)O_(4)纳米晶粒。适当增加PEG链的长度,当分子量从200增加到4000,有利于促进Fe_(3)O_(4)纳米晶粒的生长;但进一步增加PEG链的长度,PEG分子量为20000时,Fe_(3)O_(4)纳米晶粒变小。改变溶剂中DEG的体积分数,Fe_(3)O_(4)纳米粒子的形貌实现了从表面粗糙的核桃状大微球到表面光滑的小微球,再到规则的长方体晶粒的转变。基于PEG、DEG的吸附、桥连和空间位阻等作用,提出了利用PEG、DEG调控Fe_(3)O_(4)纳米尺寸和形貌结构的可能机理。所制备的Fe_(3)O_(4)纳米粒子饱和磁化强度约为80 emu/g,表现为超顺磁性。

中空磁性Fe_(3)O_(4)纳米球/MXene复合棉织物的制备及其电磁屏蔽性能

为优化导电织物对电磁波的阻抗匹配性,减少电磁波的二次污染,在棉织物中引入磁损耗材料中空Fe_(3)O_(4)纳米球,并通过层层组装的方法将其与过渡金属碳化物/氮化物(MXene)结合制备中空磁性Fe_(3)O_(4)纳米球/MXene复合棉织物,探究中空磁性Fe_(3)O_(4)纳米球对复合棉织物电磁屏蔽性能的影响规律和作用机制。借助超景深显微镜、扫描电子显微镜和矢量网络分析仪对中空磁性Fe_(3)O_(4)纳米球/MXene复合棉织物的形貌结构和电磁屏蔽性能进行表征与分析。结果表明:通过水热合成制备的Fe_(3)O_(4)具有中空球状形貌和尖晶石晶体结构,颗粒尺寸较为均匀,为(271.9±4.6)nm;随着Fe_(3)O_(4)/MXene负载循环次数的增加,复合棉织物的方阻逐渐减小,最低为(10.5±1.7)Ω/,并展现出较好的透气性;复合棉织物的电磁屏蔽性能也逐渐增强,最高电磁屏蔽效能可达(29.03±0.3)dB,且织物的屏蔽机制由吸收为主逐渐向反射为主转变,其优异的电磁屏蔽性能主要归因于MXene纳米片和中空磁性Fe_(3)O_(4)纳米球的协同作用。

Fe_(3)O_(4)/GO/CeO_(2)复合纳米材料的制备及其对水中亚甲基蓝吸附性能研究

首先通过溶剂热法制备Fe_(3)O_(4)纳米颗粒,再通过离子强度调控法制备磁性氧化石墨烯(Fe_(3)O_(4)/GO),最后用共沉淀法制得Fe_(3)O_(4)/GO/CeO_(2)复合纳米材料,并用扫描电镜(SEM)、能量色散X射线光谱(EDX)、X射线衍射(XRD)等技术对其进行表征。结果表明:Fe_(3)O_(4)纳米颗粒与CeO_(2)纳米颗粒均匀地分散在GO上。研究了Fe_(3)O_(4)/GO/CeO_(2)复合纳米材料对亚甲基蓝染料的吸附性能,并考察了不同因素对吸附性能的影响。由于Fe_(3)O_(4)纳米颗粒有着磁性的性质,易回收分离,具有再生利用性能。吸附实验结果表明:Fe_(3)O_(4)/GO/CeO_(2)复合纳米材料循环5次后对亚甲基蓝的吸附率仍在95%以上。因此,Fe_(3)O_(4)/GO/CeO_(2)复合纳米材料是一种新型优良的吸附剂材料,被应用于模拟染料废水中的亚甲基蓝去除研究。

磁性Fe_(3)O_(4)纳米粒子在农学领域应用研究进展

磁性Fe_(3)O_(4)纳米粒子由于体积小、比表面积大、具有表面效应和超顺磁性等优良特性在农学相关领域得到了广泛的应用。综述了磁性Fe_(3)O_(4)纳米粒子在磁性固相萃取、食品工业、控释农药、农药增效及光催化降解等农学相关领域的应用,比较了磁性Fe3O4纳米粒子不同制备方法的优缺点,探讨了磁性Fe3O4纳米粒子在应用中存在的挑战和未来的发展趋势。