石墨烯助力稀土钕掺杂二氧化钛纳米复合材料的磁光性能提升

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石墨烯助力稀土钕掺杂二氧化钛纳米复合材料的磁光性能提升（Doi: 10.1016/j.ceramint.2023.04.035）

稀土钕（Nd）掺杂二氧化钛（TiO₂）与还原氧化石墨烯（rGO）复合而成的纳米材料，因其独特的结构和优异的磁光性能，在电子、光电子、磁性及磁光领域展现出巨大应用潜力。本文聚焦于这种Nd/TiO₂-rGO纳米复合材料的制备及其磁学与光学特性研究，揭示了石墨烯对复合材料结构、光学和磁性性能的显著影响。

研究背景
随着纳米技术的飞速发展，纳米尺度材料及功能性杂化材料正被广泛研究用于下一代电子、光电子、磁性与磁光设备。石墨烯作为所有石墨形式的“母体”，其二维结构的石墨烯纳米片是集成石墨烯和无机功能杂化物的新兴材料。石墨烯基杂化纳米材料因其独特的二维结构和由两种组分产生的不同特性而备受关注。此外，尽管石墨烯本身通常是非磁性的，但其边缘、官能团、杂质等结构却能展现出多样化的磁性。

实验方法
研究人员采用改进的Hummers法合成氧化石墨烯（GO），通过简单的溶胶-凝胶法制备纯TiO₂和Nd掺杂TiO₂纳米颗粒，再利用水热法将这些纳米颗粒与GO复合，形成Nd/TiO₂-rGO纳米复合材料。在水热处理过程中，GO被还原为rGO，同时TiO₂纳米颗粒均匀分散在其表面。实验中，通过改变Nd掺杂浓度，制备了不同比例的复合样品，并对这些样品进行了详细的结构、光学和磁性表征。

研究结果
1. 结构分析
X射线衍射（XRD）分析显示，Nd/TiO₂-rGO复合材料呈现出纯锐钛矿相，与标准卡片一致，且没有杂质相。随着Nd掺杂浓度的增加，复合材料的结晶度有所下降，但晶粒尺寸并未显著变化，表明rGO的加入并未影响TiO₂的晶体结构。拉曼光谱进一步证实了复合材料的锐钛矿相结构，并揭示了GO在水热还原过程中结构的变化，如D带和G带的位置变化，表明了缺陷密度和石墨化程度的改变。

Fig. 1. Powder XRD pattern of pure TiO₂ and Nd/TiO₂-rGO nanocomposites. (left)

Fig. 2. Raman spectra of pure TiO₂ and Nd/TiO₂-rGO nanocomposites shows high wavenumber region with the characteristic Raman bands.(right)

2.形貌与元素分析
场发射扫描电子显微镜（FESEM）和高分辨透射电子显微镜（HRTEM）图像清晰地展示了Nd/TiO₂-rGO复合材料的形貌。rGO片呈现出波浪状，TiO₂和Nd/TiO₂纳米颗粒均匀地附着在其表面。能量色散X射线光谱（EDAX）分析确认了复合材料中C、O、Ti和Nd元素的存在，且未检测到杂质元素，证明了复合材料的高纯度。

Fig. 3. FESEM images of pure TiO₂ and Nd (1%, 3% and 5%) doped TiO₂-rGO nanocomposites. (left)

EDAX spectra of pure TiO₂ and Nd (1%) doped TiO₂-rGO composites. (Middle)

HRTEM images of pure TiO₂ and Nd (1%, 3% and 5%) doped TiO₂-rGO nanocomposites. (right)

3.比表面积与孔隙结构
通过氮气吸附-脱附实验，研究人员发现Nd/TiO₂-rGO复合材料具有典型的介孔材料特征，其比表面积、孔容和孔径分布随着Nd掺杂浓度的变化而有所不同。与纯TiO₂相比，复合材料的比表面积增大，孔径减小，这有助于提高材料的吸附性能和催化活性。

Fig. 4. N2 adsorption –desorption hysteresis curves of pure TiO₂ and Nd/TiO₂-rGO nanocomposites.  (left)

Pore size distribution patterns of pure TiO₂ and Nd/TiO₂-rGO nanocomposites.  (right)

4. 光学性质
紫外-可见光谱分析表明，Nd/TiO₂-rGO复合材料在紫外区有最大吸收峰，且随着Nd掺杂浓度的增加，吸收边发生蓝移。这主要是由于纳米颗粒尺寸效应和实验条件的影响。此外，光致发光（PL）光谱显示，复合材料在可见光区有宽发射带，且随着Nd含量的增加，发射强度增强，这归因于Nd掺杂引起的电子-空穴对复合增加。

Fig. 5. Absorbance spectra of pure TiO₂ and Nd/TiO₂-rGO nanocomposites. (left)

Energy band gap plots of pure TiO₂ and Nd/TiO₂-rGO nanocomposites. (middle)

Room temperature photoluminescence spectra of pure TiO₂  and Nd/TiO₂-rGO nanocomposites. (right)

5. 电子顺磁共振（EPR）分析
EPR光谱揭示了复合材料中存在顺磁性缺陷中心。不同Nd掺杂浓度的复合材料显示出不同的EPR信号，这与材料的结构缺陷和Nd3+离子的存在有关。EPR信号的“g”因子变化表明了缺陷态的存在，这些缺陷态可能与复合材料的磁**有关。

Fig. 6. Electron paramagnetic resonance curves of pure TiO₂ and Nd/TiO₂-nanocomposites.

6.磁性研究
振动样品磁强计（VSM）测量结果显示，Nd/TiO₂-rGO复合材料在室温下展现出铁磁性。随着Nd掺杂浓度的增加，复合材料的饱和磁化强度（Ms）和矫顽力（Hc）均有所增加。这种铁磁**归因于Nd掺杂和rGO片之间的界面交换耦合，以及材料内部的结构缺陷。

Fig. 7. Magnetization versus applied magnetic field plots for pure TiO₂ and Nd/TiO₂-rGO nanocomposites measured at room temperature.

结论
Nd/TiO₂-rGO纳米复合材料通过简单的两步法（溶胶-凝胶和水热法）成功制备。石墨烯的加入不仅提高了复合材料的比表面积和孔隙结构，还显著增强了其磁性和光学性能。这种复合材料因其优异的磁光特性，在磁性存储、光催化和自旋电子学等领域具有广阔的应用前景。未来的研究将进一步探索这种材料在实际应用中的性能优化和机制研究。
以上研究成果发表于《Ceramics International》期刊，为石墨烯基复合材料的研究和应用提供了新的思路和方向。研究人员通过巧妙的实验设计和深入的分析，展示了石墨烯在提升纳米复合材料性能方面的巨大潜力，为后续的材料科学和纳米技术研究奠定了坚实基础。

                               （注：本文基于期刊论文内容整理，旨在介绍研究成果，不涉及任何商业用途。）