α-Fe2 O3納米粒子應(yīng)用的研究進展

張 立 楊 瑩

安慶醫(yī)藥高等?？茖W(xué)校藥學(xué)系 安徽 安慶 246052

三氧化二鐵(Fe2O3)為紅棕色粉末,分為有α、β、γ和ε四種類型,在不同條件下晶型之間會發(fā)生相互轉(zhuǎn)變[1]。其中α-Fe2O3呈穩(wěn)定的三角晶系,化學(xué)性質(zhì)以及熱力學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,此外還具有無毒、環(huán)境污染小、價格低廉、催化活性高等優(yōu)點,因此α-Fe2O3納米粒子(α-FNPs)得到了廣大學(xué)者的廣泛關(guān)注和研究,已經(jīng)逐漸被應(yīng)用在顏料、催化、氣敏材料、鋰離子電池、磁性材料等領(lǐng)域。

1 在催化領(lǐng)域的應(yīng)用

α-FNPs粒徑可以達到幾十納米甚至幾納米,具有高的比表面積,一般催化劑的粒度越小、比表面積越大,反應(yīng)面積就越大,其反應(yīng)速率和效率也就越大[2],因此在催化領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

楊敏敏等人[3]利用水熱法制備了α-FNPs超薄圓餅納米材料,材料表面具有大量活性位點,對陽離子型染料分子具有優(yōu)良的可見光催化性能。Qiu等人[4]以Fe(NO3)3和CO(NH2)2為原料,通過微波輔助水熱法,在120℃的條件下加熱30 min制備得到了α-FNPs,其透射電子顯微鏡(TEM)像如圖1所示,從圖中可以看出,得到的α-FNPs粒徑均一,粒徑大約為5 nm,但是α-FNPs團聚現(xiàn)象明顯。他們利用所制備的α-FNPs分別對CO和2-羥基丙醇(CH3CH(OH)CH3)進行催化實驗,將其完全氧化為CO2。在CO的催化實驗中,催化溫度越高催化速率越快,當(dāng)催化溫度為170℃時,催化效率達到100%。而在CH3CH(OH)CH3的催化實驗中,α-Fe2O3可以將CH3CH(OH)CH3有效地轉(zhuǎn)化成CO2,當(dāng)溫度升高至180℃時,CO2開始生成,350℃時CH3CH(OH)CH3完全轉(zhuǎn)化為CO2,這說明α-FNPs具有較高的催化效率,并且將使用過的α-FNPs再進行X射線衍射(XRD)分析和TEM分析時發(fā)現(xiàn)α-FNPs的結(jié)構(gòu)以及粒徑并未發(fā)生明顯改變,說明α-FNPs是一種穩(wěn)定的、具有應(yīng)有前景的催化劑。

圖1 α-FNPs TEM像[4]

2 在氣敏材料領(lǐng)域的應(yīng)用

隨著科技的發(fā)展以及工業(yè)發(fā)展的要求,人們對氣敏元件的要求越來越高,因此需要不斷研究改良?xì)饷粼男阅?。氣敏材料的工作原理為：在正常狀態(tài)下空氣中的O2通過物理或化學(xué)力吸附在由α-FNPs制成的氣敏材料表面,該過程中O2發(fā)生解離,其中O2為電子受體,接收電子后解離成O2-,O-,O2-,而氣敏材料表面為電子給體,給出電子后表面充滿正電荷,當(dāng)待測氣體與氣敏材料表面接觸時,待測氣體與表面的氧負(fù)離子發(fā)生氧化還原反應(yīng)使氧負(fù)離子被還原成O2,而使被俘獲的電子又回到氣敏材料表面使其電阻發(fā)生改變[5]。α-FNPs因滿足制備優(yōu)異性能氣敏元件的要求,被廣泛的應(yīng)用于氣敏材料領(lǐng)域。

Cuong等人[6]通過水熱法制備得到粒徑約為40 nm的α-FNPs,并將所得的產(chǎn)物制成氣敏元件,以測定α-FNPs的氣敏響應(yīng),通過改變氣體種類和氣體濃度來測定該氣敏元件的性能。實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)在300℃的作用溫度下,隨著CO濃度的增大,元件的響應(yīng)越明顯；與其它測試氣體比較,氣敏元件展示了其對CO的響應(yīng)明顯高于其它氣體,具有良好的選擇性；對其響應(yīng)速度以及恢復(fù)速度的測試表明該氣敏元件有較快的響應(yīng)速度并且能在幾分鐘的時間內(nèi)恢復(fù)。以上結(jié)果表明以α-FNPs為原料制備的氣敏元件具有響應(yīng)速度快、選擇性較好、恢復(fù)時間短等優(yōu)點,在氣敏材料領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價值,可以應(yīng)用于氣體檢測等方面。由于氣敏材料結(jié)構(gòu)與形貌的改變對氣敏元件對氣體的響應(yīng)產(chǎn)生影響,可以考慮以不同方法制備不同結(jié)構(gòu)與形貌的α-FNPs為氣敏材料制備的元件對不同氣體響應(yīng)的影響,因此α-FNPs在氣敏材料領(lǐng)域還具有很大的應(yīng)用潛力。

3 在鋰離子電池領(lǐng)域的應(yīng)用

研究表明蓄電池的性質(zhì)不僅取決于其結(jié)構(gòu)還取決于其電極組成的形貌,由納米粒子制成的材料具有塊狀材料所沒有的物理化學(xué)性質(zhì)。目前,由納米棒、納米管以及花狀結(jié)構(gòu)、枝杈狀結(jié)構(gòu)的α-FNPs所制備的鋰離子電池都已得到研究[7-8]。

孫小磊[7]等為了減少α-FNPs聚集,提高分散性,在制備α-FNPs過程中引入了三嵌段共聚物P123。并在氮氣保護下進行熱處理,使α-FNPs表面的P123脫水轉(zhuǎn)變?yōu)闊o定形碳,最終制得碳膜全包覆的α-FNPs六方圓盤納米顆粒。以該材料作為鋰離子電池負(fù)極進行研究,結(jié)果表明,即便經(jīng)過十次充放電循環(huán),鋰離子電池比容量仍能達到首次容量的67%,具有優(yōu)良的充放電保持性能。Wang等人[8]以FeCl3和溴化十六烷基三甲銨為原料,低溫水熱法制備了α-FNPs,其場發(fā)射電子掃描顯微鏡(FESEM)像如圖2所示,得到的α-FNPs呈菱形,平均粒徑大約為90 nm。他們將所得的α-FNPs制成活性陰極電極材料,在3.0～0.3 V的電壓下以不同電流密度對其進行測試,當(dāng)電流密度為0.5 m A/cm2時,電池的最大放電容量為1090 m A h/g,當(dāng)電流密度為1 m A/cm2時,電池的最大放電容量為980 m A h/g。

圖2 α-FNPs的FESEM像[8]

4 在磁性材料領(lǐng)域的應(yīng)用

磁性納米粒子具有特殊的超順磁性,在磁記錄材料、巨磁電阻、磁光器件、磁探測器等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價值[9]。α-FNPs具有良好的硬度,可用作磁性材料和磁記錄材料,此外,人們借助α-FNPs低毒性以及小粒徑在人體內(nèi)便于運輸?shù)膬?yōu)點,將α-FNPs制成藥物載體,再經(jīng)一系列處理后使其具有較強的磁性,通過靶向給藥系統(tǒng),使藥物在人體或動物體內(nèi)流動達到指定部位,達到提高藥物利用率、減少藥物使用量和提高治療精確度等效果。

Xu等人[10]以FeCl3和CO(NH2)2為原料,在沒有任何添加劑的條件下,通過簡單的乙醇/水體系制備出了4種不同形貌的α-Fe2O3并對其進行了磁滯測量,4種形貌分別為：花狀、紡錘狀、納米粒子、菱形,分別測量其剩磁(Mr)和矯頑力(Hc),測量數(shù)據(jù)分別為：1.2844 emu/g、28.2056 Oe；0 emu/g、0 Oe；0.02248 emu/g、109.49 Oe；0.1045 emu/g、307.7254 Oe。

5 在顏料領(lǐng)域的應(yīng)用

當(dāng)α-FNPs達到100 nm左右的粒徑時,其與光作用能夠產(chǎn)生小尺寸效應(yīng),因此表現(xiàn)出對可見光的散射能力很弱,使可見光基本上完全透過,呈現(xiàn)透明狀態(tài),遮蓋力降低,對紫外線的吸收能力增強等現(xiàn)象。將α-FNPs分散在有機相中制成的漆膜具有透明的著色效果,而且α-FNPs具有耐酸耐堿、耐光及耐候性等優(yōu)良性能,因此納米級α-Fe2O3顏料在高檔轎車車面漆、儀表外殼、木材著色等方面具有廣泛的應(yīng)用。

盡管α-FNPs納米粒子在眾多領(lǐng)域已有許多用途,但對于它的研究從未停止。隨著α-FNPs納米材料制備方法的不斷發(fā)展和豐富,更多性能優(yōu)良的α-FNPs納米粒子材料將被研究應(yīng)用于更廣泛的領(lǐng)域。