CN104058465B - 一种四氧化三铁空心多面体颗粒及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种四氧化三铁空心多面体颗粒及其制备方法,所述颗粒具有空心结构,形貌为多面体型,其横截面为多边形,颗粒尺寸为50-400nm,壁厚为10-100nm。制备方法为:将铁源、六次甲基四胺加入多元醇中,搅拌均匀后将氨水缓慢滴入,搅拌均匀,得悬浊液;将该悬浊液在180~240℃下保温,反应后离心、洗涤,得四氧化三铁空心多面体颗粒。本发明制备过程操作简单,不需要惰性气体保护,重复性好,易于控制,所得多面体颗粒各个面均发育完全,形貌规则,且颗粒尺寸分布范围窄,具有较强的磁性和较大的比表面积,在药物传输、催化领域及磁性负载利用方面具有较大的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种四氧化三铁空心多面体颗粒及其制备方法,具体涉及一种利用溶剂热法制备得到的具有较强磁场饱和强度和较大比表面积的四氧化三铁空心多面体颗粒,属于磁性材料制备技术领域。
背景技术
四氧化三铁是一种重要的铁磁性材料,其在磁流体、磁记录材料、催化剂载体、生物医药等方面都有着极具前景的应用价值。此外,由于其良好的耐氧化能力、热稳定性好以及密度较小等优点,四氧化三铁纳米材料也被认为是一种优良的电磁波吸收材料。四氧化三铁有多种形貌,空心结构的四氧化三铁颗粒因其优良的性质近年来在国内外受到广泛关注。例如专利CN200910213586.9公开了利用氯化铁、乙二醇(或二乙二醇)和无水醋酸钠(或丁二酸钠)作起始原料来制备空心球形四氧化三铁纳米粒子的方法。专利CN201210158461.2也公开了一种空心球形四氧化三铁纳米粒子的方法,主要利用三氯化铁、乙二醇、尿素和四丁基氯化铵(或聚乙二醇、聚乙烯吡咯烷酮、十二烷基苯磺酸钠、乙二胺四乙酸、乙二胺四乙酸二钠)作起始原料采用溶剂热法来制备的。文献“Lu-PingZhu,Hong-MeiXiao,Wei-DongZhang,GuoYang,andShao-YunFu,Cryst.Growth.Des.,2008,8:957-963”以FeCl3·6H2O为原料通过溶剂热法合成了形貌均一,分散性好而且结晶性能好的Fe3O4空心纳米球。他们通过对实验过程进行分析检测后,发现实验中加入的乙二胺(EDA)对于空心球的形成有着至关重要的促进作用,并且提出了该Fe3O4空心纳米球形成的机理。此外,文献“PengHu,LingjieYu,AhuiZuo,ChenyiGuo,andFangliYuan.J.Phys.Chem.C,2009,113,900–906”也通过类似的方法制备了分散性好的Fe3O4空心纳米材料。他们在反应溶液中加入NH4Ac,通过气泡辅助的奥斯瓦尔德效应成功地制备了直径约为400nm厚度约为60nm的Fe3O4空心纳米材料。
然而,目前所公开的四氧化三铁空心结构均为四氧化三铁空心纳米球,即均为球形形状,从而限制了该材料在很多领域里的应用。空心多面体结构的四氧化三铁纳米颗粒具有较大的比表面积、较低的密度和空心结构,其暴露的面为高表面能面,这些特性使其具有独特的性质,在水处理、药物负载、磁流体、吸波材料和催化等领域具有非常重大的应用。但是,由于多面体的四氧化三铁暴露的面为高表面能面,在合成过程中很容易消失,因此合成空心结构的多面体四氧化三铁非常困难,目前还没有相关报道。因此,合成具有高表面能面的Fe3O4空心多面体纳米材料将具有很好的应用前景。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的不足,提供了一种四氧化三铁空心多面体颗粒,该颗粒形貌规则,尺寸均匀,具有较强的磁性和较大的比表面积。
本发明还提供了该四氧化三铁空心多面体颗粒的制备方法,该方法操作简单、可控性强、重复性好,不需惰性气体保护即可制得形貌规则的四氧化三铁空心多面体颗粒。
本发明具体技术方案如下:
一种四氧化三铁空心多面体颗粒,其特征是:所述颗粒具有空心结构,形貌为多面体型,其横截面为多边形,颗粒尺寸为50-400nm,壁厚为10-100nm。
本发明所得四氧化三铁颗粒为内部中空的多面体形貌,而并非球形,从图1可以看出,将本发明产品切开后,其截面为多边形,而非圆形,这说明本发明产品是多面体形貌。
本发明四氧化三铁空心多面体颗粒具有较高的比表面积和较强的磁性,比表面积为45-62m2/g;磁饱和强度为74-80emu/g。
本发明四氧化三铁空心多面体颗粒的制备方法,包括以下步骤:
(1)将铁源、六次甲基四胺加入多元醇中,搅拌得到均匀透明的溶液;
(2)将氨水缓慢滴加到步骤(1)的溶液中,搅拌混合均匀,得悬浊液(即前驱体溶液);
(3)将步骤(2)的悬浊液在180~240℃下保温,制备四氧化三铁颗粒,反应后离心分离、洗涤,得四氧化三铁空心多面体颗粒。
上述制备方法中,铁源、六次甲基四胺、氨水、多元醇的用量或浓度,以及氨水的滴加速度对产物形貌的形成及好坏有很重要的影响。其中,六次甲基四胺的加入对四氧化三铁空心多面体结构的形成起着至关重要的作用,不加入六次甲基四胺不能形成规则的四氧化三铁空心多面体颗粒。铁源的浓度、氨水的浓度和滴加速度影响所得颗粒的大小,浓度越大,氨水滴加速度越快,形成的颗粒越大。但是铁源的浓度和氨水的滴加速度不能过大,过大会使颗粒生长过快,影响颗粒各个面的发育,不能形成规则的多面体。氨水和有机溶剂的用量关系对多面体颗粒的规则度和尺寸均匀性也有一定的影响。只有控制好它们的用量,才能得到各面发育好、尺寸分布窄的多面体颗粒。
上述步骤(1)中,铁源与六次甲基四胺的摩尔比为0.2-16:1,优选为8-16:1。
上述步骤(1)中,铁源在溶液中的浓度为0.025-0.2mol/L。
上述步骤(1)中,所述铁源为三价铁的可溶性盐,或者是摩尔比为1:1的二价铁和三价铁的可溶性盐的混合物。所述三价铁的可溶性盐为含有结晶水或不含结晶水的氯化铁、硫酸铁、硝酸铁或乙酰丙酮铁,所述二价铁的可溶性盐为含有结晶水或不含结晶水的氯化亚铁或硫酸亚铁。
上述步骤(1)中,所述多元醇为乙二醇、丙二醇、丁二醇或丙三醇。
上述步骤(2)中,氨水的滴加速度为10-150μL/min,优选25-50μL/min。
上述步骤(2)中,氨水为浓氨水时,多元醇与氨水的体积比为9-59:1。
上述步骤(3)中,反应在密闭环境下进行,溶液的保温时间为5~44h。
本发明用溶剂热法制得了目前较难合成的暴露面为高表面能面的四氧化三铁空心多面体颗粒,制备过程操作简单,不需要惰性气体保护,重复性好,易于控制,所得多面体颗粒各个面均发育完全,形貌规则,且颗粒尺寸分布范围窄,具有较强的磁性和较大的比表面积,在药物传输、催化领域及磁性负载利用方面具有较大的应用前景。
附图说明
图1为本发明实施例1合成的磁性四氧化三铁空心多面体颗粒的扫描电镜图片。
图2为本发明实施例1合成的磁性四氧化三铁空心多面体颗粒的室温磁滞回线。
图3为本发明实施例1合成的磁性四氧化三铁空心多面体颗粒的X射线衍射图谱。
图4为本发明实施例2合成的磁性四氧化三铁空心多面体颗粒的扫描电镜图片。
图5为本发明实施例2合成的磁性四氧化三铁空心多面体颗粒的室温磁滞回线。
图6为本发明对比例17合成的磁性四氧化三铁空心多面体颗粒的X射线衍射图谱。
图7为本发明对比例17合成的磁性四氧化三铁空心多面体颗粒的扫描电镜图片。
图8为本发明对比例18合成的磁性四氧化三铁空心多面体颗粒的扫描电镜图片。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步说明,下述实施例是对本发明技术方案的进一步解释,但本发明的保护范围不限于下述的实施例。下述实施例中,所用氨水均为浓氨水。
实施例1
1.1将1.6216g六水合氯化铁、0.1051g六次甲基四胺加入到28.5ml乙二醇中搅拌至澄清;
1.2将1.5mL氨水加入到实施例1.1所述的溶液中,滴加速度为10μL/min,再搅拌至均匀;
1.3将上述1.2的混合液转移至50ml反应釜中,在200℃下保温20小时;
1.4反应结束后,经过离心分离和洗涤后得到四氧化三铁粒子。对其进行氮气表面吸附测试,测得颗粒比表面积为62m2/g。对其进行电镜扫描,所得扫描电镜照片如图1所示,从图中可以看出,所得产物形貌为空心多面体结构,颗粒粒径为200-250nm,壳层厚度为40-50nm。所得颗粒的室温磁滞回线如图2所示,从图中可以看出:该样品具有较强的磁饱和强度,为74emu/g。所得颗粒的X射线衍射图谱如图3所示,从图中可以看出:衍射花样与PDF卡片的四氧化三铁衍射花样一致,为面心立方反尖晶石结构。衍射图谱中的峰的强度高且峰形尖锐,说明结晶性完好,没有杂峰出现,说明生成纯的四氧化三铁。
实施例2
2.1将1.6216g六水合氯化铁、0.0526g六次甲基四胺加入到28.5ml乙二醇中,搅拌至澄清;
2.2将1.5mL氨水加入到实施例2.1所述的溶液中,滴加速度为25μL/min,再搅拌至均匀;
2.3将上述2.2的混合液转移至50ml反应釜中,在200℃下保温20小时;
2.4反应结束后,经过离心分离和洗涤后得到四氧化三铁粒子。对其进行电镜扫描,所得扫描电镜照片如图4所示,从图中可以看出,所得四氧化三铁形貌为空心多面体,颗粒粒径为170-220nm,壳层厚度为70-100nm。所得颗粒的室温磁滞回线如图5所示,从图中可以看出:该样品具有较强的磁饱和强度,为75emu/g。所得颗粒的比表面积为57m2/g。
实施例3
3.1将0.2027g六水合氯化铁、0.1051g六次甲基四胺加入到28.5ml乙二醇中搅拌至澄清;
3.2将1.5mL氨水加入到实施例3.1所述的溶液中,滴加速度为50μL/min,再搅拌至均匀;
3.3将上述3.2的混合液转移至50ml反应釜中,在200℃下保温20小时;
3.4反应结束后,经过离心分离和洗涤后得到四氧化三铁粒子。所得四氧化三铁形貌为空心多面体,颗粒粒径约为80-100nm,壳层厚度为20-40nm,比表面积为50m2/g,磁饱和强度为76emu/g。
实施例4
4.1将0.5998g硫酸铁、0.1051g六次甲基四胺加入到28.5ml乙二醇中搅拌至澄清;
4.2将1.5mL氨水加入到实施例4.1所述的溶液中,滴加速度为50μL/min,再搅拌至均匀;
4.3将上述4.2的混合液转移至50ml反应釜中,在200℃下保温20小时;
4.4反应结束后,经过离心分离和洗涤后得到四氧化三铁空心多面体颗粒。颗粒尺寸为100-150nm,壳层厚度为50-70nm,比表面积为55m2/g,磁饱和强度为76emu/g。
实施例5
5.1将1.0791g九水合硝酸铁、0.1051g六次甲基四胺加入到28.5ml乙二醇中搅拌至澄清;
5.2将1.5mL氨水加入到实施例5.1所述的溶液中,滴加速度为150μL/min,再搅拌至均匀;
5.3将上述5.2的混合液转移至50ml反应釜中,在200℃下保温20小时;
5.4反应结束后,经过离心分离和洗涤后得到四氧化三铁空心多面体颗粒。颗粒尺寸为200-220nm,壳层厚度为50-60nm,比表面积为60m2/g,磁饱和强度为74emu/g。
实施例6
6.1将2.1190g乙酰丙酮铁、0.1051g六次甲基四胺加入到29.5ml乙二醇中搅拌至澄清;
6.2将0.5mL氨水加入到实施例6.1所述的溶液中,滴加速度为10μL/min,再搅拌至均匀;
6.3将上述6.2的混合液转移至50ml反应釜中,在200℃下保温20小时;
6.4反应结束后,经过离心分离和洗涤后得到四氧化三铁空心多面体颗粒。颗粒尺寸为100-150nm,壳层厚度为35-60nm,比表面积为56m2/g,磁饱和强度为80emu/g。
实施例7
7.1将0.4054g六水合氯化铁、0.4170g七水合硫酸亚铁和0.1051g六次甲基四胺加入到29.0ml乙二醇中搅拌至澄清;
7.2将1.0mL氨水加入到实施例7.1所述的溶液中,滴加速度为75μL/min,再搅拌至均匀;
7.3将上述7.2的混合液转移至50ml反应釜中,在200℃下保温20小时;
7.4反应结束后,经过离心分离和洗涤后得到四氧化三铁空心多面体颗粒。颗粒尺寸为50-100nm,壳层厚度为10-45nm,比表面积为48m2/g,磁饱和强度为79emu/g。
实施例8
8.1将1.3515g六水合氯化铁、0.9942g四水合氯化亚铁和0.1051g六次甲基四胺加入到28.0ml乙二醇中搅拌至澄清;
8.2将2.0mL氨水加入到实施例8.1所述的溶液中,滴加速度为50μL/min,再搅拌至均匀;
8.3将上述8.2的混合液转移至50ml反应釜中,在200℃下保温20小时;
8.4反应结束后,经过离心分离和洗涤后得到四氧化三铁空心多面体颗粒。颗粒尺寸为250-400nm,壳层厚度为80-100nm,比表面积为60m2/g,磁饱和强度为76emu/g。
实施例9
9.1将1.6216g六水合氯化铁、0.1051g六次甲基四胺加入到27.0ml乙二醇中搅拌至澄清;
9.2将3.0mL氨水加入到实施例9.1所述的溶液中,滴加速度为100μL/min,再搅拌至均匀;
9.3将上述9.2的混合液转移至50ml反应釜中,在200℃下保温20小时;
9.4反应结束后,经过离心分离和洗涤后得到四氧化三铁空心多面体颗粒。颗粒尺寸为150-200nm,壳层厚度为70-90nm,比表面积为47m2/g,磁饱和强度为80emu/g。
实施例10
10.1将1.6216g六水合氯化铁、0.2102g六次甲基四胺加入到28.5ml丁二醇中搅拌至澄清;
10.2将1.5mL氨水加入到实施例10.1所述的溶液中,滴加速度为50μL/min,再搅拌至均匀;
10.3将上述10.2的混合液转移至50ml反应釜中,在200℃下保温20小时;
10.4反应结束后,经过离心分离和洗涤后得到四氧化三铁空心多面体颗粒。颗粒尺寸为180-220nm,壳层厚度为50-70nm,比表面积为54m2/g,磁饱和强度为76emu/g。
实施例11
11.1将1.6216g六水合氯化铁、0.1051g六次甲基四胺加入到28.5ml丙三醇中搅拌至澄清;
11.2将1.5mL氨水加入到实施例11.1所述的溶液中,滴加速度为80μL/min,再搅拌至均匀;
11.3将上述11.2的混合液转移至50ml反应釜中,在180℃下保温20小时;
11.4反应结束后,经过离心分离和洗涤后得到四氧化三铁空心多面体颗粒。颗粒尺寸为200-250nm,壳层厚度为40-60nm,比表面积为55m2/g,磁饱和强度为78emu/g。
实施例12
12.1将1.6216g六水合氯化铁、0.1051g六次甲基四胺加入到28.5ml乙二醇中搅拌至澄清;
12.2将1.5mL氨水加入到实施例12.1所述的溶液中,滴加速度为40μL/min,再搅拌至均匀;
12.3将上述12.2的混合液转移至50ml反应釜中,在220℃下保温20小时;
12.4反应结束后,经过离心分离和洗涤后得到四氧化三铁空心多面体颗粒。颗粒尺寸为220-250nm,壳层厚度为40-50nm,比表面积为61m2/g,磁饱和强度为74emu/g。
实施例13
13.1将1.6216g六水合氯化铁、0.1051g六次甲基四胺加入到28.5ml乙二醇中搅拌至澄清;
13.2将1.5mL氨水加入到实施例13.1所述的溶液中,滴加速度为50μL/min,再搅拌至均匀;
13.3将上述13.2的混合液转移至50ml反应釜中,在240℃下保温20小时;
13.4反应结束后,经过离心分离和洗涤后得到四氧化三铁空心多面体颗粒。颗粒尺寸为220-250nm,壳层厚度为40-50nm,比表面积为60m2/g,磁饱和强度为75emu/g。
实施例14
14.1将1.6216g六水合氯化铁、0.1051g六次甲基四胺加入到28.5ml乙二醇中搅拌至澄清;
14.2将1.5mL氨水加入到实施例14.1所述的溶液中,滴加速度为10μL/min,再搅拌至均匀;
14.3将上述14.2的混合液转移至50ml反应釜中,在200℃下保温5小时;
14.4反应结束后,经过离心分离和洗涤后得到四氧化三铁空心多面体颗粒。颗粒尺寸为80-100nm,壳层厚度为35-45nm,比表面积为45m2/g,磁饱和强度为80emu/g。
实施例15
15.1将1.6216g六水合氯化铁、0.1051g六次甲基四胺加入到28.5ml乙二醇中搅拌至澄清;
15.2将1.5mL氨水加入到实施例15.1所述的溶液中,滴加速度为100μL/min,再搅拌至均匀;
15.3将上述15.2的混合液转移至50ml反应釜中,在200℃下保温44小时;
15.4反应结束后,经过离心分离和洗涤后得到四氧化三铁空心多面体颗粒。颗粒尺寸为150-200nm,壳层厚度为35-50nm,比表面积为59m2/g,磁饱和强度为76emu/g。
实施例16
16.1将1.6216g六水合氯化铁、0.5255g六次甲基四胺加入到28.5ml乙二醇中搅拌至澄清;
16.2将1.5mL氨水加入到实施例16.1所述的溶液中,滴加速度为50μL/min,再搅拌至均匀;
16.3将上述16.2的混合液转移至50ml反应釜中,在200℃下保温20小时;
16.4反应结束后,经过离心分离和洗涤后得到四氧化三铁空心多面体颗粒。颗粒尺寸为80-100nm,壳层厚度为35-45nm,比表面积为55m2/g,磁饱和强度为76emu/g。
对比例17
17.1将1.6216g六水合氯化铁加入到28.5ml乙二醇中搅拌至澄清;
17.2将1.5mL氨水加入到实施例17.1所述的溶液中,滴加速度为10μL/min,再搅拌至均匀;
17.3将上述17.2的混合液转移至50ml反应釜中,在200℃下保温20小时;
17.4反应结束后,经过离心分离和洗涤后得到四氧化三铁粒子。对其进行X射线衍射分析,所得图谱如图6所示,从图中可以看出:衍射花样与PDF卡片的四氧化三铁衍射花样一致,为面心立方反尖晶石结构,说明制备的颗粒为四氧化三铁。图6与图3的衍射图谱相比,不加入六次甲基四胺时峰的强度较低,说明加入六次甲基四胺后生成的产物的结晶性较好。又对产物进行了扫描电镜分析,所得扫描电镜照片如图7所示,从图中可以看出,不加入六次甲基四胺时生成的产物虽然为Fe3O4,但是颗粒大小极不均匀,且并没有生成形貌规则的空心多面体结构,晶面发育不完全,结晶性不好,所以六次甲基四胺在空心多面体Fe3O4颗粒的形成过程中起着至关重要的作用。经测试,所得颗粒的比表面积为32m2/g,磁饱和强度为82emu/g。
对比例18
18.1将1.6216g六水合氯化铁、0.1051g六次甲基四胺加入到26.5ml乙二醇中搅拌至澄清;
18.2将3.5mL氨水加入到实施例18.1所述的溶液中,滴加速度为10μL/min,再搅拌至均匀;
18.3将上述18.2的混合液转移至50ml反应釜中,在200℃下保温20小时;
18.4反应结束后,经过离心分离和洗涤后得到四氧化三铁粒子。对产物进行了扫描电镜分析,所得扫描电镜照片如图8所示,从图中可以看出,当氨水加入量过多时,生成的产物颗粒尺寸极为不均匀,且除了多面体结构外还有尺寸特别小的颗粒生成。所以在四氧化三铁空心多面体颗粒的制备过程中氨水的加入量不能过大。经测试,所得颗粒的比表面积为35m2/g,磁饱和强度为81emu/g。
Claims (8)
1.一种四氧化三铁空心多面体颗粒的制备方法,其特征是包括以下步骤:
(1)将铁源、六次甲基四胺加入多元醇中,搅拌得到均匀透明的溶液;
(2)将氨水缓慢滴加到步骤(1)的溶液中,搅拌混合均匀,得悬浊液;
(3)将步骤(2)的悬浊液在180~240℃下保温,制备四氧化三铁颗粒,反应后离心分离、洗涤,得四氧化三铁空心多面体颗粒;
步骤(1)中,铁源与六次甲基四胺的摩尔比为0.2-16:1;
步骤(1)中,铁源在溶液中的浓度为0.025-0.2mol/L;
步骤(2)中,氨水的滴加速度为10-150μL/min;
步骤(2)中,氨水为浓氨水时,多元醇与氨水的体积比为9-59:1。
2.根据权利要求1所述的制备方法,其特征是:步骤(1)中,铁源与六次甲基四胺的摩尔比为8-16:1。
3.根据权利要求1所述的制备方法,其特征是:步骤(2)中,氨水的滴加速度为25-50μL/min。
4.根据权利要求1所述的制备方法,其特征是:步骤(3)中,溶液的保温时间为5~44h;反应在密闭环境下进行。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的制备方法,其特征是:所述铁源为三价铁的可溶性盐,或者是摩尔比为1:1的二价铁和三价铁的可溶性盐的混合物;所述多元醇为乙二醇、丙二醇、丁二醇或丙三醇。
6.根据权利要求5所述的制备方法,其特征是:所述三价铁的可溶性盐为含有结晶水或不含结晶水的氯化铁、硫酸铁、硝酸铁或乙酰丙酮铁,所述二价铁的可溶性盐为含有结晶水或不含结晶水的氯化亚铁或硫酸亚铁。
7.根据权利要求1-4中任一项所述的制备方法,其特征是:所述颗粒具有空心结构,形貌为多面体型,其横截面为多边形,颗粒尺寸为50-400nm,壁厚为10-100nm。
8.根据权利要求1-4中任一项所述的制备方法,其特征是:所述四氧化三铁空心多面体颗粒比表面积为45-62m2/g;磁饱和强度为74-80emu/g。
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