CN103288140A - 一种简单调控四氧化三铁纳米粒子形貌的方法 - Google Patents

一种简单调控四氧化三铁纳米粒子形貌的方法 Download PDF

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Abstract

一种简单调控四氧化三铁纳米粒子形貌的方法是将二价铁盐和三价铁盐溶于水中，再加入NaOH，将pH值调节至10-12，搅拌，得四氧化三铁，过滤，用水和乙醇交替清洗，干燥后得到球状四氧化三铁纳米粒子；将二价铁盐和三价铁盐溶于水中，再加入十二烷基硫酸钠和NaOH，将pH值调节至10-12，并在可见光光源下照射，得四氧化三铁，过滤，用水和乙醇交替清洗，干燥后得到立方体状的四氧化三铁纳米粒子或棒状四氧化三铁纳米粒子。本发明具有相对简单、生产成本低廉、形貌易调控，易于实现规模化的优点。

Description

一种简单调控四氧化三铁纳米粒子形貌的方法
技术领域
本发明属于一种制备四氧化三铁的方法，具体来说涉及一种采用共沉淀法简单调控四氧化三铁纳米粒子形貌的方法。
背景技术
众所周知，四氧化三铁（Fe3O4）纳米粒子由于具有高的饱和磁化强度、毒副作用低、化学稳定性好、价廉等优点，在磁记录材料、生物医药、催化、吸附分离等领域有广泛的应用前景，成为磁性纳米材料的研究重点。纳米粒子的形貌在很大程度上影响着其性能与应用领域，不同形貌的四氧化三铁纳米粒子表现出不同的性能，因此四氧化三铁纳米粒子的结构与形貌控制研究成为热点课题之一。
制备四氧化三铁纳米粒子的方法有很多种，常用的有共沉淀法、水热法、溶剂热法、超声法等方法，已成功制备出了纳米颗粒、纳米立方体、纳米棒、纳米线等形状的纳米材料。Gao等人采用溶剂热法制备了Fe3O4纳米立方体（晶体生长与设计，Crystal Growth&Design10:2888-2894）；Zhou等人采用水热法合成了一系列Fe3O4纳米棒、纳米八面体和纳米立方体（固体化学，Journal ofSolid State Chemistry196:138-144）；赵贵哲等人公开了一种控制四氧化三铁形貌与形貌的方法，采用水热法实现了四氧化三铁球形、微孔和中空结构的调控[中国发明专利，申请号：201210158461.2]。这些制备方法的制备工艺较为复杂，原料价格昂贵，生产成本高。
目前，未见有采用共沉淀法制备得到四氧化三铁纳米立方体和纳米棒的相关报道。
发明内容
本发明为解决现有技术的不足之处，提供一种成本低的用共沉淀法简单调控四氧化三铁纳米粒子形貌的方法。
本发明是通过以下技术方案实现的，其特征在于包括以下步骤：
（1）将二价铁盐和三价铁盐溶解于去离子水中，配制成浓度为0.15-1.0mol/L的溶液，在该溶液中加入固体NaOH，将pH值调节至10-12，室温下搅拌10-60分钟，制得四氧化三铁黑色沉淀，过滤，用去离子水和无水乙醇交替清洗3-5次，干燥后得到球状四氧化三铁纳米粒子；
（2）将二价铁盐和三价铁盐溶解于去离子水中，配制成浓度为0.15-1.0mol/L的溶液，再向溶液中加入十二烷基硫酸钠，其中，十二烷基硫酸钠与溶液中的水之间的重量比为0.2-0.5：100，得到混合溶液；在该混合溶液中加入固体NaOH，将pH值调节至10-12，得到反应液；并将反应液放置在波长为400-750nm的可见光光源下照射10-60分钟，同时搅拌，制得四氧化三铁黑色沉淀，过滤，用去离子水和无水乙醇交替清洗3-5次，干燥后得到立方体状的四氧化三铁纳米粒子。
（3）将二价铁盐和三价铁盐溶解于去离子水中，配制成浓度为0.15-1.0mol/L的溶液，再向溶液中加入十二烷基硫酸钠，其中，十二烷基硫酸钠与溶液中的水之间的重量比为0.8-1.2：100，得到混合溶液；在该混合溶液中加入固体NaOH，将pH值调节至10-12，得到反应液；并将反应液放置在波长为400-750nm的可见光光源下照射10-60分钟，同时搅拌，制得四氧化三铁黑色沉淀，过滤，用去离子水和无水乙醇交替清洗3-5次，干燥后得到棒状四氧化三铁纳米粒子。
如上所述的铁盐包括硫酸盐、硝酸盐和氯化盐等中的一种。
所述的二价铁盐和三价铁盐中Fe2+与Fe3+的摩尔比为1：1.7～2.0。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
（1）以铁盐为原料，采用共沉淀法简单、快速、有效地制备得到球状、立方体状、棒状的四氧化三铁纳米粒子。
（2）在不添加十二烷基硫酸钠，不进行可见光照射的条件下，制备得到了Fe3O4纳米球。通过调节十二烷基硫酸钠的添加量和可见光的照射时间，可方便地制得Fe3O4纳米立方体和纳米棒。
（3）制备得到的四氧化三铁纳米粒子分散性好、粒子大小均匀、粒径小、纯度高、饱和磁化强度高，形貌可实现球状、立方状和棒状的调控。
（4）制备方法相对简单、生产成本低廉、形貌易调控，易于实现规模化的工业生产。
附图说明
图1是实施实例1制备的四氧化三铁纳米球的透射电镜（TEM）照片
图2是实施实例2制备的四氧化三铁纳米球的透射电镜（TEM）照片
图3是实施实例3制备的四氧化三铁纳米球的透射电镜（TEM）照片
图4是实施实例4制备的四氧化三铁纳米棒的透射电镜（TEM）照片
图5是实施实例5制备的四氧化三铁纳米棒的透射电镜（TEM）照片
图6是实施实例6制备的四氧化三铁纳米棒的X-射线衍射（XRD）图谱
图7是实施实例7制备的四氧化三铁纳米立方体的透射电镜（TEM）照片
图8是实施实例8制备的四氧化三铁纳米立方体的透射电镜（TEM）照片
图9是实施实例8制备的四氧化三铁纳米立方体的磁滞回线图
图10是实施实例9制备的四氧化三铁纳米立方体的透射电镜（TEM）照片。
具体实施方式
实施例1
称取1.4g FeSO4·7H2O和2.0g Fe2(SO4)3溶于100mL去离子水中，充分搅拌使硫酸铁和硫酸亚铁完全溶解，得到浓度为0.15mol/L的溶液，将固体NaOH加入到该溶液中，充分溶解后使pH值调节至10，室温下搅拌30分钟，得到四氧化三铁黑色沉淀物，过滤后用去离子水和无水乙醇分别清洗沉淀物3次，室温干燥24小时，得到四氧化三铁纳米粒子。透射电镜观察结果如图1所示，可以看到，四氧化三铁纳米粒子呈球形，粒径分布在5-20nm之间，粒子大小均匀，无团聚现象。
实施例2
称取7.36g FeCl2·4H2O和17.0g FeCl3·6H2O溶于100mL去离子水中，充分搅拌使铁盐完全溶解，得到浓度为1.0mol/L的溶液，将固体NaOH加入到该溶液中，充分溶解后使pH值调节至12，室温下搅拌60分钟，得到四氧化三铁黑色沉淀物，过滤后用去离子水和无水乙醇分别清洗沉淀物5次，室温干燥24小时，得到四氧化三铁纳米粒子。透射电镜观察结果如图2所示，可以看到，四氧化三铁纳米粒子呈球形，粒径分布在10-15nm之间，粒子大小均匀，无团聚现象。
实施例3
称取4.3g Fe(NO3)2·6H2O和12.1g Fe(NO3)3·9H2O溶于100mL去离子水中，充分搅拌使铁盐完全溶解，得到浓度为0.45mol/L的溶液，将固体NaOH加入到该溶液中，充分溶解后使pH值调节至11，室温下搅拌10分钟，得到四氧化三铁黑色沉淀物，过滤后用去离子水和无水乙醇分别清洗沉淀物4次，室温干燥24小时，得到四氧化三铁纳米粒子。透射电镜观察结果如图3所示，可以看到，四氧化三铁纳米粒子呈球形，粒径分布在5-15nm之间，粒子大小均匀，无团聚现象。
实施例4
称取1.0gFeCl2·4H2O和2.7gFeCl3·6H2O溶于100mL去离子水中，得到浓度为0.15mol/L的溶液，在该溶液中加入0.2g十二烷基硫酸钠，充分搅拌，使十二烷基硫酸钠完全溶解，得到混合溶液；将固体NaOH加入到此混合溶液中，使pH值调节至11，得到反应液，并将反应液放置在波长为400nm的可见光光源下照射10分钟，照射期间持续磁力搅拌，制得四氧化三铁黑色沉淀物，过滤后用去离子水和无水乙醇分别清洗沉淀物3次，室温干燥24小时，得到四氧化三铁纳米粒子。透射电镜观察结果如图4所示，可以看到，四氧化三铁纳米粒子形貌为棒状，粒子的长度为100±30nm，宽度为12±3nm，粒子大小均匀性好，呈单分散性。
实施例5
称取5.76g Fe(NO3)2·6H2O和16.16g Fe(NO3)3·9H2O溶于100mL去离子水中，得到浓度为0.6mol/L的溶液，在该溶液中加入0.3g十二烷基硫酸钠，充分搅拌，使十二烷基硫酸钠完全溶解，得到混合溶液；将固体NaOH加入到此混合溶液中，使pH值调节至10，得到反应液，并将反应液放置在波长为600nm的可见光光源下照射30分钟，照射期间持续磁力搅拌，制得四氧化三铁黑色沉淀物，过滤后用去离子水和无水乙醇分别清洗沉淀物4次，室温干燥24小时，得到四氧化三铁纳米粒子。透射电镜观察结果如图5所示，可以看到，四氧化三铁纳米粒子形貌为棒状，粒子的长度为100±20nm，宽度为12±2nm，粒子大小均匀，分散性好。
实施例6
称取9.2g FeSO4·7H2O和13.2g Fe2(SO4)3溶于100mL去离子水中，得到浓度为1.0mol/L的溶液，在该溶液中加入0.5g十二烷基硫酸钠，充分搅拌，使十二烷基硫酸钠完全溶解，得到混合溶液；将固体NaOH加入到此混合溶液中，使pH值调节至12，得到反应液，并将反应液放置在波长为750nm的可见光光源下照射60分钟，照射期间持续磁力搅拌，制得四氧化三铁黑色沉淀物，过滤后用去离子水和无水乙醇分别清洗沉淀物5次，室温干燥24小时，得到棒状的四氧化三铁纳米粒子。粒子的长度为100±15nm，宽度为10±2nm，粒子大小均匀，分散性好。X-射线衍射分析结果如图6所示，可以看到，产物表现出明显的Fe3O4特征衍射峰，衍射峰强度很高，且无其它杂峰，说明制备得到的棒状四氧化三铁纳米粒子具有较高的结晶度和纯度。
实施例7
称取1.44g Fe(NO3)2·6H2O和4.0g Fe(NO3)3·9H2O溶于100mL去离子水中，充分搅拌使氯化亚铁和氯化铁完全溶解，得到浓度为0.15mol/L的溶液，在该溶液中加入0.8g十二烷基硫酸钠，充分搅拌，使十二烷基硫酸钠完全溶解，得到混合溶液；将固体NaOH加入到此混合溶液中，使pH值调节至10，得到反应液，并将反应液放置在波长为750nm的可见光光源下照射10分钟，照射期间持续磁力搅拌，得到四氧化三铁黑色沉淀物，过滤后用去离子水和无水乙醇分别清洗沉淀物3次，室温干燥24小时，得到四氧化三铁纳米粒子。透射电镜观察结果如图7所示，从图7可以看出，四氧化三铁纳米粒子呈现出规则的立方体状，立方体的边长为5-15nm，粒径分布范围窄，大小均匀，呈单分散性。
实施例8
称取3.0g FeCl2·4H2O和7.3g FeCl3·6H2O溶于100mL去离子水中，充分搅拌使氯化亚铁和氯化铁完全溶解，得到浓度为0.42mol/L的溶液，在该溶液中加入1.0g十二烷基硫酸钠，充分搅拌，使十二烷基硫酸钠完全溶解，得到混合溶液；将固体NaOH加入到此混合溶液中，使pH值调节至12，得到反应液，并将反应液放置在波长为500nm的可见光光源下照射40分钟，照射期间持续磁力搅拌，得到四氧化三铁黑色沉淀物，过滤后用去离子水和无水乙醇分别清洗沉淀物4次，室温干燥24小时，得到四氧化三铁纳米粒子。透射电镜观察和磁性能测试结果分别如图8和9所示。从图8可以看出，四氧化三铁纳米粒子呈现出规则的立方体状，立方体的边长为15-25nm，粒径大小均匀，呈单分散性。图9给出了四氧化三铁纳米立方体的磁滞回线，产物的饱和磁化强度为91.3emu/g，与块状Fe3O4的饱和磁化强度接近（～90emu/g），说明产物具有较高的磁性能。
实施例9
称取9.2g FeSO4·7H2O和13.2g Fe2(SO4)3溶于100mL去离子水中，配制成浓度为1.0mol/L的溶液，在该溶液中加入1.2g十二烷基硫酸钠，充分搅拌，使十二烷基硫酸钠完全溶解，然后将固体NaOH加入到此溶液中，调节pH值至11，得到反应液，并将反应液放置在波长为400nm的可见光光源下照射60分钟，照射期间持续磁力搅拌，得到四氧化三铁黑色沉淀物，最后用去离子水和无水乙醇分别清洗沉淀物5次，室温干燥24小时，得到四氧化三铁纳米粒子。透射电镜观察结果如图10所示，可以看出，四氧化三铁纳米粒子呈现出规则的立方体状，立方体的边长分布在5-13nm，粒径分布范围窄，大小均匀，分散性好。

Claims (3)

1.一种简单调控四氧化三铁纳米粒子形貌的方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）将二价铁盐和三价铁盐溶解于去离子水中，配制成浓度为0.15-1.0mol/L的溶液，在该溶液中加入固体NaOH，将pH值调节至10-12，室温下搅拌10-60分钟，制得四氧化三铁黑色沉淀，过滤，用去离子水和无水乙醇交替清洗3-5次，干燥后得到球状四氧化三铁纳米粒子；
（2）将二价铁盐和三价铁盐溶解于去离子水中，配制成浓度为0.15-1.0mol/L的溶液，再向溶液中加入十二烷基硫酸钠，其中，十二烷基硫酸钠与溶液中的水之间的重量比为0.2-0.5：100，得到混合溶液；在该混合溶液中加入固体NaOH，将pH值调节至10-12，得到反应液；并将反应液放置在波长为400-750nm的可见光光源下照射10-60分钟，同时搅拌，制得四氧化三铁黑色沉淀，过滤，用去离子水和无水乙醇交替清洗3-5次，干燥后得到立方体状的四氧化三铁纳米粒子。
（3）将二价铁盐和三价铁盐溶解于去离子水中，配制成浓度为0.15-1.0mol/L的溶液，再向溶液中加入十二烷基硫酸钠，其中，十二烷基硫酸钠与溶液中的水之间的重量比为0.8-1.2：100，得到混合溶液；在该混合溶液中加入固体NaOH，将pH值调节至10-12，得到反应液；并将反应液放置在波长为400-750nm的可见光光源下照射10-60分钟，同时搅拌，制得四氧化三铁黑色沉淀，过滤，用去离子水和无水乙醇交替清洗3-5次，干燥后得到棒状四氧化三铁纳米粒子。
2.如权利要求1所述的一种简单调控四氧化三铁纳米粒子形貌的方法，其特征在于所述的铁盐为硫酸盐、硝酸盐或氯化盐中的一种。
3.如权利要求1所述的一种简单调控四氧化三铁纳米粒子形貌的方法，其特征在于所述的二价铁盐和三价铁盐中Fe2+与Fe3+的摩尔比为1：1.7～2.0。
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