ZrO?纳米颗粒在WO?-Fe?O?-ZrO?与WO?-Fe?O?纳米复合材料（这两种复合材料均通过固态反应法制备）的应用中的功能作用：基于阻抗谱、介电行为和磁性能的对比研究

《Materials Science and Engineering: B》：The functional role of ZrO? nanoparticles in comparing advanced applications of WO?-Fe?O?-ZrO? and WO?-Fe?O? nanocomposites synthesized by the solid-state reaction method: A comparative study of impedance spectroscopy, dielectric behavior, and magnetic properties

纳米复合材料WO?-Fe?O?-ZrO?和WO?-Fe?O?的固态反应合成后，通过XRD、FESEM、阻抗谱和磁滞环分析，发现ZrO?的引入显著提升低频段磁损耗和介电常数，同时降低阻抗。材料在1-10?Hz范围内呈现频率依赖的介电特性与磁导率行为，为能源存储和环境治理提供新策略。

　　

Roghayeh Gozali Balkanloo | Asghar Esmaeili

伊朗乌尔米亚大学物理系

摘要

本研究探讨了通过固态反应技术制备的金属纳米复合材料WO?-Fe?O?-ZrO?和WO?-Fe?O?的结构、形态、阻抗、介电和磁性能。结构分析采用X射线衍射（XRD）技术，确认了样品中存在的相及其对应的粉末衍射标准联合委员会（JCPDS）卡片编号。利用场发射扫描电子显微镜（FESEM）对样品的形态进行了观察，证实了两种样品中都存在纳米级颗粒。通过阻抗谱（Z）对样品进行了评估。两种样品的阻抗均随频率的增加而降低；然而，WO?-Fe?O?样品的阻抗降低幅度大于WO?-Fe?O?-ZrO?样品。在室温下，对样品的电性能进行了1 Hz至10^5 Hz频率范围内的测试。结果表明，随着频率的降低，介电性能提高。在较高频率下，电导率增加，而在较低频率下电导率接近零。WO?-Fe?O?-ZrO?和WO?-Fe?O?样品的磁参数μ'和μ″表现出明显的频率依赖性，其中WO?-Fe?O?-ZrO?在较低频率下的实部和虚部磁导率更高。通过损耗正切值量化磁损耗，发现WO?-Fe?O?-ZrO?的磁损耗高于WO?-Fe?O?，表明在测量频率范围内WO?-Fe?O?-ZrO?的能量耗散更大。振动样品磁强计（VSM）用于评估磁性能，确认了WO?-Fe?O?-ZrO?和WO?-Fe?O?样品具有铁磁性质。这项研究介绍了多功能纳米材料，为解决社会面临的能源、环境和健康问题提供了新的解决方案。

引言

材料科学家对纳米复合材料感兴趣，因为它们具有显著且常常互补的特性。这些新型材料在许多领域展现出巨大潜力，如电子学、生物医学、传感技术和其他工程领域[1]、[2]。金属纳米复合材料利用其特殊的结构特性及其组成成分之间的有益相互作用，产生了多种改进的性能，包括电导率、热稳定性、磁导率、化学抗性和生物相容性[3]、[4]。最近关于金属氧化物纳米复合材料的研究表明，它们在催化、分离过程以及改善材料机械性能等方面具有广泛的应用前景[5]、[6]。在一项最新研究中，开发了多功能Z-Scheme CsPbBr?/ZnS/CeO?纳米复合材料，该复合材料在可见光照射下能有效激活过一硫酸盐（PMS）降解有机污染物（如布洛芬和甲基橙），同时实现高达2100 μmol g^-1 h^-1的光催化产氢效率[7]。此外，基于聚合物的纳米复合材料在各种应用中也显示出潜力，包括光学器件、辐射屏蔽和纳米电子学。例如，PVA/SiO?/BaTiO?纳米结构的合成展现了改进的结构和光学性能，包括降低的带隙和改善的介电常数，使其适用于未来的光学和纳米电子学应用[8]。另一项研究考察了通过共沉淀法制备的CdO-Co-ZnO纳米复合材料的电化学应用，强调了它们的多功能性，包括可靠的循环伏安性能、通过电化学阻抗谱评估的提高的电荷转移阻力，以及在紫外光照射下高达92.56%的甲基橙光催化降解效率[9]。在Au-ZrO?纳米复合材料中，非晶ZrO?层被掺入晶界，形成了极小的Au纳米颗粒（约3 nm），并具有高达600°C的优异热稳定性，为生产适用于高温应用的高稳定性纳米晶体金属提供了创新策略[10]。研究表明，NiO-ZnO异质结构纳米复合材料在电活性区域表现出受温度影响的电荷迁移和不同的导电机制，这一点通过阻抗谱分析得到了证实[11]。通过溶胶-凝胶自燃和超声处理合成的(Zn?.?Mn?.?Ni?.?Ce?.?Fe?.?O?)??(MWCNTs)?纳米复合材料的结构、阻抗和介电性能得到了研究，发现在10–15 wt% MWCNT渗透阈值下其交流电导率得到提升，使其在超级电容器、锂离子电池和燃料电池等储能应用中具有潜力[12]。N-QDs/TiO?纳米复合材料的介电性能表现出偏压依赖性增强，且在10 MHz、5 V下的损耗低（0.02），具有作为电子设备电容器的应用潜力[13]。另一项研究中，PMMA/PEG/SnO?/SiC四元纳米结构展现了优异的微观结构和光学性能，包括提高的吸收系数和介电参数，适用于辐射衰减和柔性光子学应用[14]。

在这项工作中，采用固态反应方法合成了由金属氧化物WO?、ZrO?和Fe?O?制成的金属纳米复合材料。选择这些金属氧化物是因为它们具有独特的性质。氧化锆（ZrO?）纳米颗粒具有出色的机械强度、低热导率和耐磨性，使其成为金属纳米复合材料的理想增强剂[15]。三氧化钨（WO?）的电学和催化性能使其成为化学和电子应用中的有前景材料[16]。此外，由于其磁、光催化和生物相容性，氧化铁（Fe?O?）被应用于电子学、环境研究和医学等多个领域[17]。将这些金属氧化物掺入金属纳米复合材料中显著改善了它们的机械、物理、化学和电学性能，从而提高了它们在各种行业的适用性[18]、[19]。固态反应技术是一种成本效益高且高效的金属纳米复合材料合成方法，该方法能够实现更好的可扩展性、相稳定性以及可控的界面相互作用。与溶胶-凝胶、共沉淀、水热和燃烧等替代合成路线相比，该方法能耗更低，因此具有显著的经济和环境优势。此外，缩短的处理时间提高了产量和生产效率，特别适用于大规模应用[20]、[21]。尽管金属纳米复合材料取得了显著进展，但关于通过固态反应制备的WO?-Fe?O?-ZrO?（WFZ）和WO?-Fe?O?（WF）纳米复合材料的结构、形态、磁性能、复阻抗谱和介电响应特性的精确比较研究尚未开展。这项创新研究采用先进的分析技术（包括XRD、FESEM、复阻抗谱、介电研究和磁性能评估）对这些纳米复合材料进行了全面比较，以实现精确表征。具体而言，本研究强调了ZrO?纳米颗粒对WFZ纳米复合材料与WF样品的独特影响。

这项工作对于开发多功能纳米材料以促进可持续技术具有重要的社会意义。这些纳米复合材料优异的介电和磁性能使其在储能设备（如超级电容器和电池）中的应用前景广阔，这些设备对于整合可再生能源和减少对化石燃料的依赖至关重要。它们的光催化潜力支持环境修复，包括水净化和污染物降解，解决了获取清洁水和污染控制等全球性问题。此外，它们的生物相容性和传感能力为生物医学领域的进步开辟了途径，包括靶向药物输送、疾病检测和癌症治疗，从而改善了医疗结果和生活质量。总体而言，这些材料推动了清洁能源、环境保护和健康领域的创新，符合全球可持续发展目标[22]、[23]、[24]、[25]、[26]、[27]、[28]、[29]。研究的创新之处在于对通过固态反应法合成的三元WFZ和二元WF纳米复合材料的系统和比较分析。这种方法在多组分系统中的应用较少，揭示了添加ZrO?纳米颗粒在调节电学和磁性能方面的关键作用。这种调节导致阻抗、电容和磁特性的显著差异，加深了对ZrO?如何改变WO?-Fe?O?基系统中晶界效应和铁磁响应的理解[30]、[31]。

试剂和合成

试剂和合成

在本研究中，使用了来自美国德克萨斯州休斯顿US Research Nanomaterials, Inc.的高纯度ZrO?、WO?和Fe?O?纳米颗粒，通过高温下的固态反应过程制备了WFZ和WF纳米复合材料。选择这些颗粒是因为它们具有稳定的粒径和明确的物理化学性质，从而确保最终纳米复合材料的一致性和均匀的化学组成。

结构研究

常使用基于布拉格定律的XRD方法来分析晶体材料。WFZ和WF纳米复合材料的所有衍射峰在不同θ值下都显示出显著的反射条件，这对应于每个样品的不同晶面。通过与标准JCPDS图谱的比较，确认了通过固态反应技术制备的纳米复合材料中存在相应的金属纳米级氧化物，如图1所示。

形态学研究

使用场发射扫描电子显微镜（FESEM）观察了样品的颗粒形状[29]。如图2所示，WFZ和WF纳米复合材料为纳米级大小，由不规则、大小不一的颗粒组成，孔隙率很低，这可能是由于颗粒聚集所致。XRD和FESEM的结果在表1中完全一致。

阻抗谱和介电测量研究

如图3所示，两种样品的阻抗Z随频率的增加而降低，这种行为与晶界的影响有关。由于结构和特征的不同，样品之间的阻抗降低程度也有所不同。在较高频率下，晶粒通常表现出更好的性能，因为载流子（如电子或离子）与晶界处的缺陷或屏障的相互作用减少，从而降低了电阻

磁学研究

通过施加高达±15 kOe的外部磁场，测量了WFZ和WF样品的磁滞（M-H）曲线（如图12所示），以评估其在常温下的磁性能。测量了饱和磁化（Ms）、剩磁（Mr）和矫顽力（Hc）等重要参数。结果见表3。为了评估磁滞环的形状和材料显示的磁行为类型，计算了矩形度

结论

使用X'Pert HighScore Plus软件进行的X射线衍射分析确认了WO?-Fe?O?（WF）和WO?-Fe?O?-ZrO?（WFZ）纳米复合材料的晶体结构，平均晶粒尺寸分别为37.45 nm和30.2 nm。FE-SEM显示纳米颗粒呈球形或准球形，容易聚集，WF的平均尺寸为91.15 nm，WFZ的平均尺寸为56.63 nm，与XRD数据相符。阻抗谱显示了频率依赖性行为：阻抗随频率的增加而升高

CRediT作者贡献声明

Roghayeh Gozali Balkanloo：撰写 – 原始草稿、方法论、研究、数据管理、概念化。Asghar Esmaeili：撰写 – 审稿与编辑、监督、数据管理。

资助

本研究未获得公共、商业或非营利部门的任何特定资助。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。