共沉淀法磁性納米Fe3O4粒子的制備及性能研究

談?wù)丫? 王毅, 劉靜晨, 陳姣, 馮輝霞

（蘭州理工大學(xué) 石油化工學(xué)院，甘肅 蘭州 730050）

共沉淀法磁性納米Fe3O4粒子的制備及性能研究

談?wù)丫? 王毅, 劉靜晨, 陳姣, 馮輝霞

（蘭州理工大學(xué) 石油化工學(xué)院，甘肅 蘭州 730050）

采用共沉淀法，用NaOH沉淀Fe3+/和Fe2+混合溶液合成磁性納米Fe3O4粒子，考察了n( Fe2+) /n ( Fe3+)的比例、反應(yīng)溫度對(duì) Fe3O4納米粒子磁性能的影響。采用紅外光譜分析、X射線衍射、掃描電鏡及振動(dòng)磁強(qiáng)計(jì)對(duì)樣品進(jìn)行表征。研究結(jié)果表明，n( Fe2+) /n ( Fe3+)為1∶2，反應(yīng)溫度為60 ℃條件下得到磁性能最佳的Fe3O4納米粒子。所制得的磁性Fe3O4納米粒子純度較高，形貌為規(guī)則球形，平均粒徑為57 nm，其飽和磁強(qiáng)度為65.86 emu/g。

共沉淀；磁性；納米Fe3O4粒子；磁性能

磁性納米微粒是指大小在納米尺寸的磁性材料。隨著納米技術(shù)的迅速發(fā)展,磁性納米微粒應(yīng)用廣泛。磁性納米 Fe3O4材料因其合成工藝簡(jiǎn)單，人們對(duì)其研究集中在合成方法與性能方面[1]。

共沉淀法是制備磁性納米 Fe3O4材料常見方法之一。該法利用液相化學(xué)反應(yīng)合成金屬氧化物納米磁性材料[2-6]。共沉淀法是指在有多種陽(yáng)離子的溶液中加入一種沉淀劑，當(dāng)發(fā)生沉淀反應(yīng)后，可得到成分均一的沉淀[7,8]。共沉淀法，具體的方法是以含有一定摩爾比的Fe2+、Fe3+的混合溶液為反應(yīng)液，用無機(jī)堿作為沉淀劑，將混合溶液中的Fe2+、Fe3+共沉淀出來，并將其轉(zhuǎn)化為 Fe3O4，經(jīng)處理得到磁性納米Fe3O4材料[9]。

主要的反應(yīng)為∶

2Fe3+(aq) + Fe2+(aq) + 8OH-(aq) → Fe3O4↓ + 4H2O

本文運(yùn)用共沉淀法研究制備磁性納米 Fe3O4材料的方法，研究各個(gè)反應(yīng)條件對(duì) Fe3O4磁性能的影響，并對(duì)其結(jié)構(gòu)形貌進(jìn)行表征分析。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

七水硫酸亞鐵（天津市凱信化學(xué)工業(yè)有限公司）、六水三氯化鐵（成都科龍化工試劑廠）、氫氧化鈉（天津市德恩化學(xué)試劑有限公司）、無水乙醇（天津市巴斯夫化工有限公司），均為分析。

電熱恒溫水浴鍋；增力電動(dòng)攪拌器；電子天平；美國(guó)Nicolet公司Nicolet Nexus 670型紅外吸收光譜儀；荷蘭Panalytical公司X’Pert PRO X射線衍射儀(Cu靶Kα射，石墨濾波，λ為0.154 06 nm)；日本電子光學(xué)公司Jsm-6710F型冷場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡；美國(guó)Lake shore 公司735型振動(dòng)飽和磁強(qiáng)度計(jì)。

1.2 磁性Fe3O4納米材料的制備方法

1.2.1 共沉淀法的基本實(shí)驗(yàn)方法

共沉淀法具體實(shí)施：將Fe2+與Fe3+的硫酸鹽和氯化物溶液以一定比例混合（一般摩爾比為1∶2或2∶3），用過量的氨水或氫氧化鈉堿溶液作為沉淀劑，在隔絕氧氣的環(huán)境中，一定溫度和pH 值范圍內(nèi)，高速攪拌進(jìn) 行反應(yīng)。反應(yīng)完畢后，經(jīng)高速離心得到固體沉淀，將沉淀洗滌、干燥，即可得到納米級(jí)Fe3O4粒子。

1.2.2 共沉淀法制備磁性納米Fe3O4材料的方法

在250 mL三口燒瓶的反應(yīng)器中，稱取一定量的FeSO4·7H2O和FeCl3·6H2O，使 Fe2+/Fe3+=1∶2，將其溶于蒸餾水中，配制成混合溶液。將反應(yīng)器置于60 ℃水浴，氮?dú)庀聰嚢璺磻?yīng)。通過恒壓滴定漏斗將事先配好的氫氧化鈉溶液滴加，pH值＞9，溶液顏色由黃棕色變成紅棕，褐色，直至黑色Fe3O4生成。恒溫反應(yīng)一段時(shí)間后，用強(qiáng)磁鐵收集，分離。分別用蒸餾水和乙醇洗滌黑色沉淀至濾液pH值為7。將其真空干燥，即得磁性納米Fe3O4材料。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 反應(yīng)條件對(duì)納米Fe3O4磁性能的影響

2.1.1 不同n(Fe2+)/n(Fe3+)比對(duì)Fe3O4納米粒子磁性能的影響

表1為不同n(Fe2+)/n(Fe3+)比例對(duì)納米Fe3O4磁性能的影響。

由表1可知，隨著兩種離子n(Fe2+)/n(Fe3+)的增大，產(chǎn)物中磁性材料的含量和其飽和磁強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)，且下降幅度相近。當(dāng)n(Fe2+)/ n(Fe3+)=1∶2時(shí)，F(xiàn)e3O4飽和磁強(qiáng)度最大。這是由于兩種離子摩爾比增大，F(xiàn)e2+離子含量增加，致使Fe3+離子被還原，產(chǎn)物中生成的 Fe3O4量減少，使得磁性材料的含量和飽和磁強(qiáng)度發(fā)生下降。因此，當(dāng) n(Fe2+)/n(Fe3+)配比為1∶2時(shí)，所制得的納米Fe3O4磁性能最強(qiáng)。

表1 不同n( Fe2+)/ n( Fe3+)比制備Fe3O4的磁性能Table 1 Magnetic properties of the nano-Fe3O4synthesized at different Fe2+/ Fe3+rations

2.1.2 反應(yīng)溫度對(duì)Fe3O4磁性能的影響

表2為固定n( Fe2+)/ n( Fe3+)配比為1∶2和其他反應(yīng)條件不變下，不同反應(yīng)溫度對(duì)Fe3O4納米粒子磁性能的影響

由表2可知，隨反應(yīng)溫度上升，磁性納米Fe3O4材料的含量和飽和磁強(qiáng)度也增大。當(dāng)反應(yīng)溫度升高到60 ℃時(shí)，磁性納米Fe3O4材料的含量最大，飽和磁強(qiáng)度可達(dá)最高65.86 emu/g。當(dāng)繼續(xù)升溫到80 ℃時(shí)，磁性材料的含量和飽和磁強(qiáng)度逐漸減小。這是由于兩種離子Fe2+和Fe3+反應(yīng)時(shí)，要跨越一定能級(jí)的分子勢(shì)能壁壘，所以加熱到適宜的溫度才能進(jìn)行反應(yīng)。當(dāng)超過這個(gè)溫度時(shí)，反應(yīng)溫度過高會(huì)破壞Fe3O4的微觀結(jié)構(gòu)，致使磁性材料含量和飽和磁強(qiáng)度均開始下降。

表2 不同反應(yīng)溫度制備納米Fe3O4的磁性能Table 2 Magnetic properties of the nano-Fe3O4synthesized at different temperatures

2.2 磁性Fe3O4納米材料的表征

2.2.1 紅外分析

如圖1所示，為納米Fe3O4紅外吸收譜圖。566.91 cm-1處的特征吸收峰為 Fe-O伸縮振動(dòng)峰與文獻(xiàn)相近[10]。3 421.16、1 623.80 cm-1處特征吸收峰為—OH鍵的伸縮振動(dòng)和彎曲振動(dòng)峰，這是由于 Fe3O4納米粒子表面羥基形成締合氫鍵形成了吸收峰。

圖1 Fe3O4納米粒子的紅外吸收光譜Fig.1 FTIR spectra of Fe3O4nanoparticles

2.2.2 X射線衍射分析

圖2是Fe3O4納米粒子的X射線衍射分析圖譜。由圖2看出，選取的5個(gè)最強(qiáng)的特征峰(220)，(311)，(400)，(511)，(440)和標(biāo)準(zhǔn)的Fe3O4粉末衍射卡片基本一致，結(jié)果表明，產(chǎn)物納米Fe3O4屬單相立方晶型，產(chǎn)物純度高。按照 Scherrer公式 d=kλ/βcosθ(k =0.89，λ= 0.15406，θ為布拉格衍射角，β為衍射峰的半高峰寬)，進(jìn)行晶粒估算，取平均值，得出Fe3O4納米粒子的平均粒徑為57 nm。

圖2 Fe3O4納米粒子的XRD譜圖Fig. 2 XRD patterns of Fe3O4nanoparticles

2.2.3 掃描電鏡分析

圖3為納米Fe3O4粒子的掃描電鏡圖。圖3(a)比例尺為5 μm，圖3(2)比例尺為2 μm。從圖中可看出，納米 Fe3O4粒子大小比較均一，形狀為球形，粒徑約為50 nm。

圖3 Fe3O4納米粒子掃描電鏡圖Fig.3 SEM of Fe3O4nanoparticles

2.2.4 飽和磁強(qiáng)度分析

圖4為磁性Fe3O4材料的磁滯回曲線。根據(jù)數(shù)據(jù)計(jì)算得到磁性Fe3O4材料的飽和磁強(qiáng)度為65.86 emu/g。矯頑力為5.1(Oe)，剩余磁強(qiáng)度為59.6(Oe)，與標(biāo)準(zhǔn)Fe3O4的磁飽和強(qiáng)度值近似。

本文制備的磁性 Fe3O4粉體的飽和磁強(qiáng)度高，是因?yàn)镕e3O4結(jié)晶度更高和晶格缺陷。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文采用共沉淀方法合成了Fe3O4納米粒子。研究了Fe2+/Fe3+摩爾配比、反應(yīng)溫度因素對(duì)Fe3O4納米粒子磁性能的影響。得出Fe2+/Fe3+最佳摩爾比和反應(yīng)溫度的適合條件范圍。當(dāng)n(Fe2+)/ n(Fe3+)=1∶2、反應(yīng)溫度為60 ℃時(shí)，制得高純度和高飽和磁強(qiáng)度的Fe3O4納米粒子。

圖4 Fe3O4納米粒子磁滯回曲線Fig.4 Magnetization curves of Fe3O4nanoparticles

通過紅外吸收、X射線衍射、掃描電鏡及振動(dòng)飽和磁強(qiáng)度測(cè)試等手段對(duì)產(chǎn)物的表征，可知波峰566.91 cm-1處存在Fe-O鍵，納米Fe3O4粒子物相結(jié)構(gòu)為單相立方結(jié)構(gòu)，形貌為規(guī)則球形，平均粒徑為57 nm，飽和磁強(qiáng)度為65.86 emu/g。

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Study on Co-precipitation Preparation and Properties of Magnetic Fe3O4Nanoparticles

TAN Zhao-jun, WANG Yi, LIU Jing-chen, CHEN Jiao, FENG Hui-xia
（School of Petrochemical Engineering, Lanzhou University of Technology, Gansu Lanzhou 730050, China）

The magnetic Fe3O4nanoparticles were prepared by co-precipitation of Fe2+and Fe3+with aqueous NaOH solution. The effect of ration of n(Fe2+)/n(Fe3+) and aging temperature on magnetic properties was investigated. The prepared Fe3O4nanoparticle was characterized with Fourier transform infrared(FTIR), X-ray diffraction(XRD), scanning electron microscopy(SEM) and vibrating sample magnetometry (VSM).The results show that magnetic Fe3O4nanoparticles with the strongest magnetism can be synthesized under the optimum conditions of n(Fe2+)/n(Fe3+) =1:2 and aging temperature 60 ℃.The obtained magnetic Fe3O4particles are spherical with high purity, average grain size of 57 nm and saturated magnetic intensity of 65.86 emu/g.

co-precipitation; magnetic ; Fe3O4nanoparticles; magnetic property

O 614

A

1671-0460（2015）09-2094-03

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目，項(xiàng)目號(hào)：51063003。

2015-03-18

談?wù)丫?988-），女，甘肅白銀人，碩士研究生，畢業(yè)于蘭州理工大學(xué)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)，研究方向：從事功能材料研究工作。E-mail：13919947204@163.com。

馮輝霞（1966-），女，教授，博導(dǎo)，博士，化學(xué)功能材料，綠色化學(xué)。E-mail：fenghx@lut.cn。