CN105198004B - 一种Fe3O4‑SnO2纳米复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种Fe3O4‑SnO2纳米复合材料及其制备方法，包括Fe3O4微球和包覆于Fe3O4微球外的SnO2纳米棒，所述的Fe3O4微球的直径为200～500nm，SnO2纳米棒沿Fe3O4微球球面半径方向排列包覆，SnO2纳米棒的长径比为4～10；主要通过溶剂热法制备Fe3O4磁性微球，然后在Fe3O4磁性微球上通过水热法生长SnO2单晶纳米棒；水热过程中无需任何模板和催化剂，工艺简单，产率高，且成本低廉，适合批量生产；Fe3O4微球作为核直接包覆生长SnO2纳米棒，所制备单晶SnO2纳米棒形态均一，在Fe3O4微球上包覆均匀。

Description

一种Fe3O4-SnO2纳米复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于纳米材料领域，涉及一种Fe3O4-SnO2纳米复合材料及其制备方法。
背景技术
现代科技的发展，无疑需要更加优秀的材料来支持。如今，多层次、多维度、多组分的分级结构的设计和合成有望解决人们对新材料日益增长的需求，大量的分级结构已经被构想甚至已经应用在了太阳能电池、光电设备、锂离子电池负极材料、储氢材料、雷达波吸收材料、光催化、生物传感器、生物降解、生物医药等诸多领域。但是，现阶段的研究受限于现阶段的合成工艺和技术，分级结构的材料依然存在一系列瓶颈问题亟待解决，如难以合成、结构简单、种类单一等，因此人们亟待寻找一种简单、方便的方法来制备分级结构的材料。多年来人们一直致力于各种分级结构的制备，如ZnO分级结构、CuO-ZnO分级结构、Fe3O4-TiO2分级机构、ZnO-SnO2等。
SnO2是一种典型的n型直接带隙宽禁带氧化物半导体材料，它具有以下几个方面的优点：(1)室温下具有宽带隙(Eg＝3.6eV)和高激子束缚能(130meV)；(2)低成本；(3)制备方法及产物形态结构多样。以上这些特点使得SnO2在半导体器件和功能材料领域具有其独特的优势与宽广的应用潜力，尤其是SnO2低维纳米材料已经在催化剂、锂离子电池的负极材料、电磁波吸收、太阳能电池、传感器、光电子器件等方面表现出了广阔的应用前景。然而，Fe3O4是一种重要的磁性纳米材料，由于其特有的磁性能，已经被应用在了诸多领域，如微波吸收、生物传感器、污水处理、药物载体、生物酶固定、生物传感器等方面的应用；将二者复合成纳米分级结构，SnO2优异的半导体性能与Fe3O4磁性能得以有机融合，必将使它们的应用领域大大拓展，甚至目前，已经有大量的 研究工作者致力于研究Fe3O4-金属氧化物纳米结构并取得相关的成果，如中国专利CN103157430A公开了一种海胆状核-壳型Fe3O4@TiO2磁性微球及其制备和应用，该材料在蛋白组学等领域有良好的实用价值和应用前景。虽然已形成海胆状核-壳结构，但其制备过程繁琐，需要利用溶胶凝胶法先制备种子层后进行水热反应，且成品率低。
发明内容
针对现有技术中的缺陷和不足，本发明提供了一种直接在Fe3O4微球上包覆SnO2纳米棒复合结构的制备方法，解决了制备过程繁琐及成品率低的问题。
为解决上述技术问题，本发明采取的技术方案为：
一种Fe3O4-SnO2纳米复合材料，包括Fe3O4微球和生长在Fe3O4微球上的SnO2纳米棒。
具体的，包括单体，所述的单体包括Fe3O4微球和生长在Fe3O4微球上的SnO2纳米棒。
具体的，所述的Fe3O4微球的直径为200～500nm，SnO2纳米棒沿Fe3O4微球球面半径方向排列包覆，SnO2纳米棒的长径比为4～10。
更具体的，所述的SnO2纳米棒的直径为30～50nm，SnO2纳米棒的长度为200～300nm。
制备所述的Fe3O4-SnO2纳米复合材料的方法，包括采用溶剂热法制备Fe3O4微球，再在Fe3O4微球上采用水热法生长SnO2纳米棒。
具体的，所述的溶剂热法制备Fe3O4微球包括：含铁化合物、络合剂及表面活性剂三者混合稀释溶解后在200℃下进行溶剂热反应，反应的产物洗涤至中性后烘干即得Fe3O4微球。
更具体的，所述的含铁化合物为FeCl3，FeCl3稀释溶解后的浓度为0.1～0.3mol/L，所述的表面活性剂为聚乙二醇10000，聚乙二醇10000稀释溶解后的浓度为0.0001～0.003mol/L，所述的络合剂为CH3COONa，CH3COONa稀释溶解后的浓度为0.5～0.7mol/L。
进一步的，含铁化合物、络合剂及表面活性剂三者混合稀释的溶剂为乙二醇。
另外，所述的在Fe3O4微球上采用水热法生长SnO2纳米棒包括：将Fe3O4微球、含锡化合物、表面活性剂混合稀释溶解后，再往混合溶液中加入强碱作为反应源在160～210℃下保温8～24h进行水热反应，反应的产物洗涤为中性并烘干即得Fe3O4-SnO2纳米复合材料。
同时，Fe3O4微球的浓度为0.1～0.3mol/L，所述的含锡化合物为SnCl4，SnCl4的浓度为0.05～0.3mol/L，所述的强碱为NaOH，NaOH与SnCl4的摩尔浓度比为[NaOH]:[SnCl4]＝9～15:1。
本发明的优点为：
(1)本发明制备得到的海胆状Fe3O4-SnO2纳米复合材料是在直径为200～500nm的Fe3O4微球表面包覆着SnO2单晶纳米棒，且SnO2单晶纳米棒共球心沿Fe3O4磁性微球半径方向排列，SnO2纳米棒的直径为30～50nm，其长度为200～300nm，其长径比为4～10；从微观结构上看，海胆状Fe3O4-SnO2核壳结构具有很大的比表面积，可以用作气敏传感器；从分级结构的物性融合上看，海胆状Fe3O4-SnO2纳米复合材料应既对雷达波磁分量具有良好的吸收能力，也对雷达波电分量具有良好的吸收能力，是一种优异的吸波材料；
(2)本发明在制备Fe3O4-SnO2纳米复合材料时，采用水热法在Fe3O4微球表面生长SnO2单晶纳米棒，水热过程中无需任何模板和催化剂，工艺简单，产率高，且成本低廉，适合批量生产；
(3)Fe3O4微球作为核直接包覆生长SnO2纳米棒，所制备单晶SnO2纳米棒形态均一，在Fe3O4微球上包覆均匀。
附图说明
图1为本发明中实施例1的X射线衍射图谱；
图2为本发明中实施例2的XRD图谱；
图3为本发明中实施例3的XRD图谱；
图4为实施例1的扫描电子显微镜照片；
图5为实施例2的SEM照片；
图6为实施例3的SEM照片；
图7为本发明的Fe3O4-SnO2纳米复合材料中SnO2纳米棒典型的选区电子衍射照片；
以下结合说明书附图和具体实施方式对本发明做具体说明。
具体实施方式
本发明所制备的Fe3O4-SnO2纳米复合材料形状如海胆，是以Fe3O4磁性微球为核、以SnO2单晶纳米棒为壳形成的复合体，均一的四棱柱状SnO2单晶纳米棒共球心沿Fe3O4磁性微球半径方向均匀排列的结构。
本发明主要采用溶剂热法与水热法，通过控制反应体系中锡盐的浓度、碱盐比、反应温度、反应时间等因素获得了一种海胆状Fe3O4-SnO2纳米复合材料及制备该材料的方法，水热过程中无需任何模板和催化剂，工艺简单，产率高，且成本低廉，适合批量生产；Fe3O4微球作为核直接包覆生长SnO2纳米棒，所制备单晶SnO2纳米棒形态均一，在Fe3O4微球上包覆均匀。
图7是本发明产物海胆状Fe3O4-SnO2纳米复合材料中“壳”(SnO2纳米线)的选区电子衍射照片，照片上的衍射斑点揭示该SnO2纳米线是单晶。
为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例一：
以FeCl3·6H2O、CH3COONa·3H2O和PEG10000的混合物为溶质，以乙二醇为溶剂，充分搅拌，获得0.2mol/L的FeCl3·6H2O、0.65mol/L的CH3COONa·3H2O和0.00286mol/L的PEG10000的乙二醇混合溶液，取出35mL乙二醇混合溶液移入聚四氟乙烯内衬的反应釜(内衬的容积为50ml)中，将其密封置于200℃烘箱中保温8h，待反应结束后将反应产物进行离心分离处理，并用无水乙醇 洗涤多次，直到滤液的pH＝7，然后将所得产物置于烘箱中60℃下烘干，便得到Fe3O4微球；将Fe3O4微球、SnCl4·5H2O和PEG10000的混合物加入适量去离子水充分搅拌，所得混合溶液中Fe3O4微球为0.1mol/L，SnCl4·5H2O为0.05mol/L，PEG10000为0.001mol/L，将混合溶液超声处理15分钟后，将0.45mol/L NaOH溶液逐滴滴入到上述混合溶液后再次超声15分钟，便得到了前驱体溶液，取出35ml前驱体溶液移入聚四氟乙烯内衬的反应釜(内衬的容积为50ml)中，将其密封并置于160℃烘箱中保温8h，待反应结束后将反应产物进行离心分离，并用去离子水洗涤多次，直到滤液的pH＝7，然后将所得产物置于烘箱中60℃下烘干，便得到海胆状Fe3O4-SnO2纳米复合材料。该产物的X射线衍射图谱如图1所示，扫描电子显微镜照片如图4所示；
图1说明实施例一的产物是Fe3O4-SnO2复合物，图4说明实施例一的产物具有海胆状Fe3O4-SnO2核壳结构形貌。
实施例二：
以FeCl3·6H2O、CH3COONa·3H2O和PEG10000的混合物为溶质，以乙二醇为溶剂，充分搅拌，获得0.2mol/L的FeCl3·6H2O、0.65mol/L的CH3COONa·3H2O和0.00286mol/L的PEG10000的乙二醇混合溶液，取出35mL乙二醇混合溶液移入聚四氟乙烯内衬的反应釜(内衬的容积为50ml)中，将其密封置于200℃烘箱中保温8h，待反应结束后将反应产物进行离心分离处理，并用无水乙醇洗涤多次，直到滤液的pH＝7，然后将所得产物置于烘箱中60℃下烘干，便得到Fe3O4微球；将Fe3O4微球、SnCl4·5H2O和PEG10000的混合物加入适量去离子水充分搅拌，所得混合溶液中Fe3O4微球为0.2mol/L，SnCl4·5H2O为0.15mol/L，PEG10000为0.002mol/L，将混合溶液超声处理15分钟后，将1.5mol/L NaOH溶液逐滴滴入到上述混合溶液后再次超声15分钟，便得到了前驱体溶液，取出35ml前驱体溶液移入聚四氟乙烯内衬的反应釜(内衬的容积为50ml)中，将其密封并置于200℃烘箱中保温16h，待反应结束后将反应产物进行离心分离，并用去离子水洗涤多次，直到滤液的pH＝7，然后将所得 产物置于烘箱中60℃下烘干，便得到海胆状Fe3O4-SnO2纳米复合材料。该产物的X射线衍射图谱如图2所示，扫描电子显微镜照片如图5所示；
图2说明实施例二产物是Fe3O4-SnO2复合物，图5说明实施例二的产物具有海胆状Fe3O4-SnO2核壳结构形貌。
实施例三
以FeCl3·6H2O、CH3COONa·3H2O和PEG10000的混合物为溶质，以乙二醇为溶剂，充分搅拌，获得0.2mol/L的FeCl3·6H2O、0.65mol/L的CH3COONa·3H2O和0.00286mol/L的PEG10000的乙二醇混合溶液，取出35mL乙二醇混合溶液移入聚四氟乙烯内衬的反应釜(内衬的容积为50ml)中，将其密封置于200℃烘箱中保温8h，待反应结束后将反应产物进行离心分离处理，并用无水乙醇洗涤多次，直到滤液的pH＝7，然后将所得产物置于烘箱中60℃下烘干，便得到Fe3O4微球；将Fe3O4微球、SnCl4·5H2O和PEG10000的混合物加入适量去离子水充分搅拌，所得混合溶液中Fe3O4微球为0.3mol/L，SnCl4·5H2O为0.3mol/L，PEG10000为0.003mol/L，将混合溶液超声处理15分钟后，将4.5mol/L NaOH溶液逐滴滴入到上述混合溶液后再次超声15分钟，便得到了前驱体溶液，取出35ml前驱体溶液移入聚四氟乙烯内衬的反应釜(内衬的容积为50ml)中，将其密封并置于210℃烘箱中保温24h，待反应结束后将反应产物进行离心分离，并用去离子水洗涤多次，直到滤液的pH＝7，然后将所得产物置于烘箱中60℃下烘干，便得到海胆状Fe3O4-SnO2纳米复合材料。该产物的X射线衍射图谱如图3所示，扫描电子显微镜照片如图6所示；
图3说明实施例三的产物是Fe3O4-SnO2复合物，图6说明实施例三的产物具有海胆状Fe3O4-SnO2核壳结构形貌。
综上所述，本发明涉及一种海胆状Fe3O4-SnO2纳米结构复合物的制备方法，所采用的溶剂热与水热制备过程工艺简单，可控性强，产率高，成本低廉，适合批量生产。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通 技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种Fe3O4-SnO2纳米复合材料，其特征在于，包括Fe3O4微球和生长在Fe3O4微球上的SnO2纳米棒；
所述的Fe3O4微球的直径为200～500nm，SnO2纳米棒沿Fe3O4微球球面半径方向排列包覆，SnO2纳米棒的长径比为4～10；
所述的SnO2纳米棒的直径为30～50nm，SnO2纳米棒的长度为200～300nm。
2.如权利要求1所述的Fe3O4-SnO2纳米复合材料，其特征在于，包括单体，所述的单体包括Fe3O4微球和生长在Fe3O4微球上的SnO2纳米棒。
3.制备权利要求1或2所述的Fe3O4-SnO2纳米复合材料的方法，其特征在于，包括采用溶剂热法制备Fe3O4微球，再在Fe3O4微球上采用水热法生长SnO2纳米棒；
所述的溶剂热法制备Fe3O4微球包括：含铁化合物、络合剂及表面活性剂三者混合稀释溶解后在200℃下进行溶剂热反应，反应的产物洗涤至中性后烘干即得Fe3O4微球；
所述的含铁化合物为FeCl3，FeCl3稀释溶解后的浓度为0.1～0.3mol/L，所述的表面活性剂为聚乙二醇10000，聚乙二醇10000稀释溶解后的浓度为0.0001～0.003mol/L，所述的络合剂为CH3COONa，CH3COONa稀释溶解后的浓度为0.5～0.7mol/L；
含铁化合物、络合剂及表面活性剂三者混合稀释的溶剂为乙二醇；
所述的在Fe3O4微球上采用水热法生长SnO2纳米棒包括：将Fe3O4微球、含锡化合物、表面活性剂混合稀释溶解后，再往混合溶液中加入强碱作为反应源在160～210℃下保温8～24h进行水热反应，反应的产物洗涤为中性并烘干即得Fe3O4-SnO2纳米复合材料；
Fe3O4微球的浓度为0.1～0.3mol/L，所述的含锡化合物为SnCl4，SnCl4的浓度为0.05～0.3mol/L，所述的强碱为NaOH，NaOH与SnCl4的摩尔浓度比为[NaOH]:[SnCl4]＝9～15:1。
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