CN101314483A - 一种合成形貌尺寸可控的α－Fe2O3纳米颗粒的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种形貌尺寸可控的α－Fe₂O₃纳米颗粒的制备方法。本发明采用水热法，在氨基酸的结构导向作用下一步合成α－Fe₂O₃纳米颗粒，将三价铁盐和氨基酸按不同的摩尔比溶于100ml水，磁力搅拌，得到澄清透明溶液；将澄清透明溶液倒入150ml反应釜中，密封，升温至100～180℃，并在该温度下保持24小时，自然冷却至室温，再经水洗，乙醇洗，干燥制得产品。可以通过应用不同的氨基酸来控制α－Fe₂O₃纳米颗粒的形貌，通过改变反应条件来调整尺寸的大小。本发明工艺简单，产品在水相中具有很好的分散性，成本低，无污染，适合工业化生产。

Description

一种合成形貌尺寸可控的α-Fe2O3纳米颗粒的方法

技术领域

本发明涉及α-Fe₂O₃制备方法，具体涉及水热法制备α-Fe₂O₃纳米颗粒的方法，是采用氨基酸作为结构导向剂制备形貌尺寸可控的α-Fe₂O₃纳米颗粒。

背景技术

α-Fe₂O₃纳米颗粒具有无毒、抗腐蚀、低成本的优点，被广泛应用于气敏元件、电极材料、涂料、催化剂、磁性材料以及医学和生物工程等领域。α-Fe₂O₃纳米颗粒的物理和化学性质主要是由它的形貌和尺寸大小决定，所以寻找一种可以有效控制α-Fe₂O₃纳米颗粒形貌和尺寸的合成方法变得尤为重要。目前，合成α-Fe₂O₃纳米颗粒的方法主要有共沉淀法、热解法、微乳液法、水热合成法。共沉淀法工艺非常简单，但是它不能有效的控制α-Fe₂O₃纳米颗粒的形貌和尺寸大小，尺寸分布较宽。热解法虽然能够很好的控制α-Fe₂O₃纳米颗粒的形貌和尺寸大小，但是它需要有机金属作为原料，成本相对较高，而且需要惰性气体保护和高温条件，工艺比较复杂。微乳液法制备的α-Fe₂O₃纳米颗粒尺寸分布窄，分散性好，但这种方法需要大量的有机溶剂，收率低，很难实现工业化生产。与以上三种方法相比，水热合成法有其优点，例如，水热过程能够在较低温度下促进晶体的成核及生长；水热法合成的α-Fe₂O₃纳米颗粒纯度非常高，不含其他杂质；水热合成法原料易得、产物颗粒晶型好、分散性好、形貌可控及成本相对较低。所以，水热合成法是一种非常重要的合成α-Fe₂O₃纳米颗粒的方法，具有很大的应用前景。

发明内容

本发明的目的是提供形貌尺寸可控的α-Fe₂O₃纳米颗粒的制备方法，采用水热法，在氨基酸的结构导向作用下一步合成α-Fe₂O₃纳米颗粒。合成的α-Fe₂O₃纳米颗粒在H₂环境下还原可以得到形貌尺寸不变的Fe₃O₄纳米颗粒，进一步将Fe₃O₄纳米颗粒再氧化，可以制备出γ-Fe₂O₃纳米颗粒。

本发明的技术方案是：

(1)将三价铁盐和导向剂按不同的摩尔比溶于100ml水，磁力搅拌，得到澄清透明溶液。

所述的三价铁盐是六水合三氯化铁；导向剂是氨基酸中的一种，氨基酸为谷氨酸、赖氨酸、天冬酰胺或甲硫酰胺中的一种。三价铁盐与导向剂的摩尔比在1∶0.01至1∶2之间。

(2)将步骤(1)获得的溶液倒入150ml反应釜中，密封，升温至100～180℃，并在该温度下保持24小时，自然冷却至室温，再经水洗，乙醇洗，干燥制得产品。按此方法可以得到菱形、树叶形、类立方体形的α-Fe₂O₃纳米颗粒，颗粒的尺寸可以通过改变反应条件来调整。

实现本发明的基本原理在于：

(1)在反应釜中，溶液被持续加热，Fe³⁺的浓度不断增大，形成过饱和溶液，导致α-Fe₂O₃晶种的产生。

(2)这种新形成的晶种表面能非常高，极不稳定，容易团聚，形成初级的纳米晶体。在这一过程中，氨基酸分子被选择性的吸附在晶体表面，起到了导向晶体生长的作用。因为所用的氨基酸结构不同，在晶体表面的吸附也不相同，所以可以得到不同形貌的α-Fe₂O₃纳米颗粒。

(3)初级的纳米晶体经过再结晶的过程得到最终的α-Fe₂O₃纳米晶体产物。

本发明的有益效果是：可以通过应用不同的氨基酸来控制α-Fe₂O₃纳米颗粒的形貌，通过改变反应条件来调整尺寸的大小。工艺简单，产品在水相中具有很好的分散性，成本低，无污染，适合工业化生产。

附图说明

图1是水热法制备的α-Fe₂O₃纳米颗粒XRD谱，其中(a)为利用赖氨酸合成的菱形α-Fe₂O₃纳米颗粒的XRD谱，(b)为利用天冬酰胺合成的树叶形α-Fe₂O₃纳米颗粒的XRD谱。

图2是水热法制备的α-Fe₂O₃纳米颗粒的透射电镜图，其中(a)是赖氨酸合成的菱形α-Fe₂O₃纳米颗粒的TEM图，(b)是天冬酰胺合成的α-Fe₂O₃纳米颗粒的TEM图，(c)是甲硫酰胺合成的类似立方体的α-Fe₂O₃纳米颗粒的TEM图。

图3是水热法制备的α-Fe₂O₃纳米颗粒的透射电镜图，其中(a)(b)(c)所用氨基酸都是天冬酰胺，摩尔比Fe³⁺/天冬酰胺依次为1∶0.05、1∶0.25、1∶0.5。

图4是水热法制备的α-Fe₂O₃纳米颗粒的透射电镜图，其中(a)(b)所用氨基酸都是赖氨酸，反应温度依次是150℃、180℃。

具体实施方式

实施例1

分别称取0.541g FeCl₃·6H₂O、0.5852g赖氨酸，用100ml去离子水溶解，经磁力搅拌，形成澄清溶液，之后转入反应釜中，密封。将反应釜在120℃烘箱中放置1天，然后自然冷却至室温。将产品离心分离，水洗2次，乙醇洗1次，在50℃烘箱中干燥6小时，最终得到产品。

图1(a)为本实施例制备的α-Fe₂O₃纳米颗粒XRD谱，其特征峰与α-Fe₂O₃标准谱峰一致。图2(a)是本实施例制备的α-Fe₂O₃纳米颗粒的TEM图。可以看出α-Fe₂O₃纳米颗粒具有菱形结构，尺寸大小非常均匀，边长约为65nm。

实施例2

分别称取0.541g FeCl₃·6H₂O、0.1322g天冬酰胺，其他条件同实施例1，所得产品的XRD谱如图1(b)所示，其特征峰与实施例1一致。图2(b)和图3(c)是本实施例制备的α-Fe₂O₃纳米颗粒的TEM图。从图中可以看出，α-Fe₂O₃呈树叶形，尺寸分布窄，长轴约为150nm，短轴约为90nm。

实施例3

分别称取0.541g FeCl₃·6H₂O、0.2984g甲硫氨酸，其他条件同实施例1，所得产品的TEM图如图2(c)所示，α-Fe₂O₃纳米颗粒具有类似立方体的结构，纵横比约为1，尺寸大小均匀，边长80nm。

实施例4

分别称取0.541g FeCl₃·6H₂O、0.0661g天冬酰胺，其他条件同实施例1，所得产品的TEM图如图3(b)所示，在其他条件不变的情况下，减少天冬酰胺的用量，α-Fe₂O₃纳米颗粒的形貌没有发生变化，但是尺寸变大，长轴约为180nm，短轴约为105nm。

实施例5

分别称取0.541g FeCl₃·6H₂O、0.0132g天冬酰胺，其他条件同实施例1，所得产品的TEM图如图3(a)所示，在其他条件不变的情况下，继续减少天冬酰胺的用量，α-Fe₂O₃纳米颗粒的形貌没有发生改变，但是尺寸变大，长轴约为250nm，短轴约为175nm。

实施例6

分别称取分别称取0.541g FeCl₃·6H₂O、0.2926g赖氨酸，用100ml去离子水溶解，经磁力搅拌，形成澄清溶液，之后转入反应釜中，密封。将反应釜在150℃烘箱中放置1天，其他条件同实施例1，产品的TEM图如图4(a)所示，α-Fe₂O₃纳米颗粒呈菱形，尺寸分布窄。

实施例7

分别称取分别称取0.541g FeCl₃·6H₂O、0.2926g赖氨酸，用100ml去离子水溶解，经磁力搅拌，形成澄清溶液，之后转入反应釜中，密封。将反应釜在180℃烘箱中放置1天，其他条件同实施例1，产品的TEM图如图4(b)所示，提高反应温度，α-Fe₂O₃纳米颗粒的尺寸变大，形貌基本保持不变。

Claims (4)

1、一种合成形貌尺寸可控的α-Fe₂O₃纳米颗粒的方法，其特征在于，该方法是以三价铁盐为原料，在导向剂的存在下水解得到产品，制备工艺为：

(1)将三价铁盐和导向剂按不同的摩尔比溶于100ml水，磁力搅拌，得到澄清透明溶液，导向剂为氨基酸中的一种；

(2)将步骤(1)获得的溶液倒入150ml反应釜中，密封，升温至100～180℃，并在该温度下保持24小时，自然冷却至室温，再经水洗，乙醇洗，干燥制得产品，三价铁盐与导向剂的摩尔比在1∶0.01至1∶2之间。

2、按照权利要求1所述的一种合成形貌尺寸可控的α-Fe₂O₃纳米颗粒的方法，其特征在于，所述的三价铁盐为六水合三氯化铁。

3、按照权利要求1所述的一种合成形貌尺寸可控的α-Fe₂O₃纳米颗粒的方法，其特征在于，所述的氨基酸为谷氨酸、赖氨酸、天冬酰胺或甲硫酰胺中的一种。

4、按照权利要求1所述的一种合成形貌尺寸可控的α-Fe₂O₃纳米颗粒的方法，其特征在于，水热反应是在高压反应釜中进行。

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