CN104120481A

CN104120481A - 一种纯铁基表面Fe3O4纳米柱阵列及其制备方法

Info

Publication number: CN104120481A
Application number: CN201410388257.9A
Authority: CN
Inventors: 倪红卫; 张超; 张博威; 詹玮婷; 陈荣生
Original assignee: Wuhan University of Science and Engineering WUSE
Current assignee: Wuhan University of Science and Engineering WUSE
Priority date: 2014-08-08
Filing date: 2014-08-08
Publication date: 2014-10-29

Abstract

本发明具体涉及一种纯铁基表面Fe₃O₄纳米柱阵列及其制备方法。其技术方案是：将表面预处理后的纯铁在氟化铵-水-乙二醇体系电解液中进行阳极氧化处理；取出，清洗，吹干；然后在氢气气氛下以5~15℃/min的升温速率从室温升温至400~800℃，保温3~8h，随炉自然冷却，制得纯铁基表面Fe₃O₄纳米柱阵列。其中：所述氟化铵-水-乙二醇体系电解液的氟化铵的质量分数为0.2~0.5%，水的体积分数为1.5~3%；所述阳极氧化处理的电压为20~60V，温度为20~60℃，时间为0.05~1h。本发明具有工艺简单、环境友好和成本低廉的特点；所制备的纯铁基表面Fe₃O₄纳米柱阵列结构规整有序、成分均匀、纳米柱密度高、比表面积大、与基材结合紧密和不介入其他杂质元素。

Description

一种纯铁基表面Fe3O4纳米柱阵列及其制备方法

技术领域

本发明属于Fe₃O₄纳米柱阵列技术领域。具体涉及一种纯铁基表面Fe₃O₄纳米柱阵列及其制备方法。

背景技术

铁的氧化物有氧化亚铁，氧化铁和四氧化三铁三类。其中四氧化三铁的化学式为Fe₃O₄。X射线衍射实验表明，Fe₃O₄具有反式尖晶石结构，晶体中并不存在偏铁酸根离子。另外，Fe₃O₄还是导体，因为在铁磁矿中由于Fe²⁺与Fe³⁺在八面体位置上基本是无序排列的，电子可在铁的两种氧化态间迅速发生转移。Fe₃O₄的基本物理性质为：晶状黑色固体，不溶于水，有磁性，固体具有优良的导电性。Fe₃O₄的基本化学性质为：具有氧化性和还原性，当在空气中高温加热时，容易氧化成氧化铁；当遇到还原性较强的物质时，便会还原成Fe单质。

Fe₃O₄(磁铁矿)作为一种重要的磁性材料，如果其在纳米尺度范围具备规则的形状，将会在各领域表现出良好的应用前景：如生物分子分离，化学传感，能源存储，催化，生物医学和环境处理。迄今为止，各种形貌的磁性Fe₃O₄纳米材料已被成功制备。这些形貌主要包括：棒状、豆荚状、哑铃状、立方体、线状、管状、反垂体状、花状及其各类空心结构。

目前，制备Fe₃O₄纳米材料的方法主要有共沉淀法、热分解法、微乳法和水／溶剂热法等。这些方法各有优缺点：共沉淀法具有反应条件温和，所需设备简单的优点，但所制备的产品形貌和尺寸很难控制；热分解法虽然在控制产物晶形、形貌和尺寸有很大的优势，但该法所用的前驱物往往是毒性很强的金属有机化合物，如Fe(CO)₅， Fe(cup)₂，Fe(acac)₂等，而且金属有机化合物的分解温度很高；尽管微乳法可以很好的控制纳米粒子的尺寸，粒度分布和形貌，但是该法需要利用大量的有机物，容易造成环境污染。

发明内容

本发明旨在克服现有技术的缺陷，目的是提供一种工艺简单、环境友好和成本低廉的纯铁基表面Fe₃O₄纳米柱阵列的制备方法。用该方法制备的纯铁基表面Fe₃O₄纳米柱阵列的结构规整有序、成分均匀、纳米柱密度高、比表面积大、与基材结合紧密和不介入其他杂质元素。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：将表面预处理后的纯铁在氟化铵-水-乙二醇体系电解液中进行阳极氧化处理；取出，清洗，吹干。然后在氢气气氛下以5~15℃/min的升温速率从室温升温至400~800℃，保温3~8h，随炉自然冷却，制得纯铁基表面Fe₃O₄纳米柱阵列。

所述表面预处理后的纯铁是：先将纯铁表面打磨至粗糙度小于Ra10μm，再进行机械抛光，然后依次在无水乙醇和蒸馏水中进行超声清洗，取出，吹干，即得表面预处理后的纯铁。

所述阳极氧化处理的技术参数是：阳极氧化处理的电压为20~60V，阳极氧化处理的温度为20~60℃，阳极氧化处理的时间为0.05~1h。

所述氟化铵-水-乙二醇体系电解液的氟化铵的质量分数为0.2~0.5%，水的体积分数为1.5~3%。

由于采用上述方案，本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明所需设备简单，投资少，不需要真空或高温高压设备；制备工艺仅包括纯铁表面预处理、阳极氧化处理及热处理三个步骤，简单易行；本发明所采用的原材料对环境无污染且能耗小，故工艺简单、生产成本低、生产效率高和环境友好，适合大规模制造；

2、本发明工艺参数精确可控，可通过控制处理过程中的工艺参数在纯铁基表面制备多种纳米尺寸的Fe₃O₄纳米柱阵列；

3、本发明制备的纯铁基表面Fe₃O₄纳米柱阵列结构规整有序，成分均匀，纳米柱密度高，比表面积大，不介入其他杂质元素；能提高纯铁催化性能、电化学传感性能以及生物医药性能。所制得的纯铁基表面Fe₃O₄纳米柱阵列上纳米柱直径为50~120nm，纯铁基表面Fe₃O₄纳米柱阵列上纳米柱长度为1~3μm。

4、本发明利用阳极氧化在纯铁表面生成Fe₂O₃纳米管，之后在氢气气氛下进行热处理，利用氢气的还原性将Fe₂O₃还原为Fe₃O₄，所制得的Fe₃O₄纳米柱阵列与纯铁基结合紧密。

5、本发明所制得的纯铁基表面Fe₃O₄纳米柱阵列比表面积大。

因此，本发明具有工艺简单、环境友好和成本低廉的特点。所制备的纯铁基表面Fe₃O₄纳米柱阵列结构规整有序、成分均匀、纳米柱密度高、比表面积大、与基材结合紧密和不介入其他杂质元素，能提高纯铁催化性能、电化学传感性能以及生物医药性能。

附图说明

图1是本发明制备的一种纯铁基表面Fe₃O₄纳米柱阵列的SEM图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的描述，本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本具体实施方式所述表面预处理后的纯铁是：先将纯铁表面打磨至粗糙度小于Ra10μm，再进行机械抛光，然后依次在无水乙醇和蒸馏水中进行超声清洗，取出，吹干，即得表面预处理后的纯铁。实施例中不再赘述。

实施例1

一种纯铁基表面Fe₃O₄纳米柱阵列及其制备方法。将表面预处理后的纯铁在氟化铵-水-乙二醇体系电解液中进行阳极氧化处理；取出，清洗，吹干。然后在氢气气氛下以5~8℃/min的升温速率从室温升温至400~600℃，保温3~5h，随炉自然冷却，制得纯铁基表面Fe₃O₄纳米柱阵列。

所述阳极氧化处理的技术参数是：阳极氧化处理的电压为20~30V，阳极氧化处理的温度为45~60℃，阳极氧化处理的时间为0.05~0.5h。

所述氟化铵-水-乙二醇体系电解液的氟化铵的质量分数为0.2~0.35%，水的体积分数为1.5~2%。

本实施例所制得的纯铁基表面Fe₃O₄纳米柱阵列的层厚度为1~2μm，纯铁基表面Fe₃O₄纳米柱阵列的纳米柱直径为50~80nm 。

实施例2

一种纯铁基表面Fe₃O₄纳米柱阵列及其制备方法。将表面预处理后的纯铁在氟化铵-水-乙二醇体系电解液中进行阳极氧化处理；取出，清洗，吹干。然后在氢气气氛下以8~12℃/min的升温速率从室温升温至550~700℃，保温4~7h，随炉自然冷却，制得纯铁基表面Fe₃O₄纳米柱阵列。

所述阳极氧化处理的技术参数是：阳极氧化处理的电压为30~45V，阳极氧化处理的温度为35~50℃，阳极氧化处理的时间为0.1~0.8h。

所述氟化铵-水-乙二醇体系电解液的氟化铵的质量分数为0.3~-0.45%，水的体积分数为2.0~2.5%。

本实施例所制得的纯铁基表面Fe₃O₄纳米柱阵列的层厚度为1.5~2.5μm，纯铁基表面Fe₃O₄纳米柱阵列的纳米柱直径为75~100nm。

实施例3

一种纯铁基表面Fe₃O₄纳米柱阵列及其制备方法。将表面预处理后的纯铁在氟化铵-水-乙二醇体系电解液中进行阳极氧化处理；取出，清洗，吹干。然后在氢气气氛下以12~15℃/min的升温速率从室温升温至600~800℃，保温6~8h，随炉自然冷却，制得纯铁基表面Fe₃O₄纳米柱阵列。

所述阳极氧化处理的技术参数是：阳极氧化处理的电压为45~60V，阳极氧化处理的温度为20~40℃，阳极氧化处理的时间为0.5~1.0h。

所述氟化铵-水-乙二醇体系电解液的氟化铵的质量分数为0.4~0.5%，水的体积分数为2.5~3.0%。

本实施例所制得的纯铁基表面Fe₃O₄纳米柱阵列的层厚度为2~3μm，纯铁基表面Fe₃O₄纳米柱阵列的纳米柱直径为100~120nm。

本具体实施方式与现有技术相比具有以下优点：

1、本具体实施方式所需设备装置简单，投资少，不需要真空或高温高压设备；制备工艺仅包括纯铁表面预处理、阳极氧化处理及热处理三个步骤，简单易行；本具体实施方式所采用的原材料对环境无污染和能耗小；

2、本具体实施方式工艺参数精确可控，可通过控制处理过程中的工艺参数在纯铁基表面制备多种纳米尺寸的Fe₃O₄纳米柱阵列；

3、本具体实施方式所涉及的阳极氧化处理及热处理技术具有生产效率高、成本低、工艺要求简单和重复性好的优点，适合大规模制造。用该方法制备的纯铁基表面Fe₃O₄纳米柱阵列如图1所示，图1是实施例2制备的一种纯铁基表面Fe₃O₄纳米柱阵列的SEM图，可以看出，用该方法制备的纯铁基表面Fe₃O₄纳米柱阵列结构规整有序，成分均匀，纳米柱密度高，比表面积大，不介入其他杂质元素；能提高纯铁催化电化学传感性能以及生物医药性能。所制得的纯铁基表面Fe₃O₄纳米柱阵列层厚度为1~3μm，纯铁基表面Fe₃O₄纳米柱阵列上纳米柱直径为50~120nm。

4、本具体实施方式利用阳极氧化在纯铁表面生成Fe₂O₃纳米管，之后在氢气气氛下进行热处理，利用氢气的还原性将Fe₂O₃还原为Fe₃O₄，所制得的Fe₃O₄纳米柱阵列与纯铁基结合紧密。

5、本具体实施方式所制得的纯铁基表面Fe₃O₄纳米柱阵列比表面积大。

因此，本具体实施方式具有简单有效、环境友好和成本低廉的特点。所制备的纯铁基表面Fe₃O₄纳米柱阵列结构规整有序，成分均匀，纳米柱密度高，比表面积大，不介入其他杂质元素，与基材结合紧密；能提高纯铁催化性能、电化学传感性能以及生物医药性能。

Claims

1.一种纯铁基表面Fe₃O₄纳米柱阵列的制备方法，其特征在于所述的制备方法是：将表面预处理后的纯铁在氟化铵-水-乙二醇体系电解液中进行阳极氧化处理；取出，清洗，吹干；然后在氢气气氛下以5~15℃/min的升温速率从室温升温至400~800℃，保温3~8h，随炉自然冷却，制得纯铁基表面Fe₃O₄纳米柱阵列。

2.根据权利要求1所述的纯铁基表面Fe₃O₄纳米柱阵列的制备方法，其特征在于所述表面预处理后的纯铁是：先将纯铁表面打磨至粗糙度小于Ra10μm，再进行机械抛光，然后依次在无水乙醇和蒸馏水中进行超声清洗，取出，吹干，即得表面预处理后的纯铁。

3.根据权利要求1所述的纯铁基表面Fe₃O₄纳米柱阵列的制备方法，其特征在于所述阳极氧化处理的技术参数是：阳极氧化处理的电压为20~60V，阳极氧化处理的温度为20~60℃，阳极氧化处理的时间为0.05~1h。

4.根据权利要求1所述的纯铁基表面Fe₃O₄纳米柱阵列的制备方法，其特征在于所述氟化铵-水-乙二醇体系电解液的氟化铵的质量分数为0.2~0.5%，水的体积分数为1.5~3%。

5.一种纯铁基表面Fe₃O₄纳米柱阵列，其特征在于所述纯铁基表面Fe₃O₄纳米柱阵列是根据权利要求1~4项中任一项所述的纯铁基表面Fe₃O₄纳米柱阵列的制备所制备的纯铁基表面Fe₃O₄纳米柱阵列。