CN106006758A - 一种利用废铁丝制备纳米Fe3O4的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种利用废铁丝制备纳米Fe3O4的方法，是以硫酸钠溶液为电解质，以废铁丝为阴极和阳极，利用液相隔膜放电等离子体辐射阳极，通过电化学牺牲阳极铁丝得到纳米Fe3O4。本发明利用牺牲阳极的液相隔膜放电等离子体制备纳米Fe3O4，具有设备简单、操作容易，条件温和、反应可控，成本低廉、无污染，产物纯度高、便于分离；所得产物纳米Fe3O4粒径呈近球状结构，团聚小、分散性好，粒度分布均匀，在磁存储材料、特种涂料、微波吸收、磁多功能复合材料、催化剂、药物靶向引导及生物工程等领域具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种纳米四氧化三铁（Fe3O4）的制备方法，尤其涉及一种利用废铁丝直接制备纳米Fe3O4的方法，属于纳米材料制备技术领域。
背景技术
四氧化三铁(Fe3O4)属立方晶系，具有优良的磁学特征，是一种应用最为广泛的软磁性材料之一, 广泛用于磁存储、磁流体、磁多功能复合材料、电子材料、微波吸收、特种涂料、催化剂、药物靶向引导及纳米生物工程等领域，具有广阔的应用前景而成为材料研究的热点课题。与普通的Fe3O4相比, 纳米Fe3O4表现出量子尺寸效应、量子隧道效应和超顺磁性等，这些特性使得纳米Fe3O4的研究备受关注。反式尖晶石结构的Fe3O4磁性纳米颗粒是磁性纳米材料家族中重要的一员，表现出良好的生物相容性、优异的化学稳定性、优良的磁学特性和较高的生物安全性等。目前，纳米Fe3O4的研究领域主要包括：改进常规制备方法，探索新的制备方法；制备具有特殊形貌的纳米Fe3O4；表面改性纳米Fe3O4，从而制备多功能磁性材料；纳米Fe3O4在生物、医学领域的应用研究。由于纳米Fe3O4颗粒的制备方法对其性能和适用领域有着巨大的影响。因此探索制备Fe3O4的新方法备受关注。
制备纳米Fe3O4的化学方法主要有：水热/溶剂热法、金属有机前驱体热分解法、化学共沉淀法、微乳液法、溶胶-凝胶法等。这些方法各有利弊，溶剂热法和金属有机前驱体热分解法制备纳米Fe3O4方面有很多优点，但金属有机前驱体热分解法得到的磁性纳米Fe3O4粒子多为油溶性，不利于其在生物医学中的直接应用，而且该法所用试剂昂贵且有毒，反应温度较高且反应体系需用惰性气体保护。化学共沉淀法反应条件温和，原料价格低廉，工艺流程短，易于工业化生产，但影响微粒粒径、结晶度和产品纯度的因素较多，易生成非磁性的α-Fe2O3或α-Fe2O3与Fe3O4的混合物，并且沉淀法容易出现不均匀的团聚现象。微乳液法和溶胶-凝胶法可以很好地得到尺寸均匀，形貌独特的纳米粒子，但制备过程不易控制，产率低、溶剂用量大且结晶度低。
电解液液相隔膜放电，又称水下放电或液下放电，是一种新型的产生非平衡等离子体的电化学方法。普通电解过程中将阳极插入带小孔的石英试管中并施加数百伏直流电压后，小孔内液态水被击穿，产生紫外光、冲击波、辐射以及高活性粒子如HO∙，H∙，O∙，HO2∙和 H2O2，这些活性粒子可引发许多化学反应，如有机废水的降解、制备高性能聚合物、材料表面修饰等。然而，用电解液液相放电等离子体技术制备纳米材料的研究还未见文献报道。
发明内容
本发明的目的在于针对目前大量废铁丝长期堆积并污染环境以及纳米Fe3O4制备过程复杂、条件苛刻等缺陷，提供一种用废铁丝方便、快捷制备纳米Fe3O4的新方法。
本发明制备纳米Fe3O4的方法，是以硫酸钠溶液为电解质（浓度为 1~4 g/L），以废铁丝为阴极和阳极，利用电解液液相隔膜放电等离子体辐射阳极，通过电化学牺牲阳极的铁丝得到纳米Fe3O4。具体由以下装置和工艺完成：
液相隔膜放电等离子体装置见图1：包括反应器1及其内的电解液，插入电解液中的阴极废铁丝和石英管，阳极废铁丝置于石英管4中，并在石英管上距离石英管底部0.8~1.2 cm处开一个小孔，使阴阳极电解液通过该小孔相连，同时小孔发出的辉光正好辐射到阳极铁丝上。
阴阳极废铁丝的直径为2~6 mm；石英管上小孔的直径为0.5 ~1.0mm；阴阳极插入电解液的深度为1.5 ~3.0 cm。
阳极废铁丝需要以下工艺进行处理：将阳极废铁丝打磨、抛光后在丙酮中浸泡30min，再分别在乙醇和去离子水中各超声洗涤10 min，以去除废铁丝表面的杂质。
制备工艺：利用液相放电等离子体装置，控制电压在600~800 V，电流150~250 mA下，小孔中产生辉光，形成稳定的辉光放电等离子体；放电过程中，阳极铁丝不断消耗，溶液由无色→淡黄→棕色→黑色转变；持续放电2~3 h后，用磁铁分离，分别用蒸馏水和无水乙醇洗涤数次，分离，50~70 ℃ 真空干燥至恒重，研磨，即得黑色纳米Fe3O4。
反应过程中，为了溶液的均匀性，以80~150r/min的速度对电解液进行持续搅拌。
二、纳米Fe3O4的结构表征
下面通过对电流-电压曲线分析来说明放电过程不是普通的电解过程，通过红外光谱、X射线粉末衍射、扫描电镜、透射电镜、激光粒度测试对材料的结构、形貌和尺寸进行表征。
1、电流-电压曲线
用上海力友电器有限公司的LW100J2 直流稳压稳流电源(电压 0~1000 V，电流 0~1A)对不同电压下电流进行测定。图2为阳极（废铁丝）置于石英试管中，以2 g/L硫酸钠为电解质，通过调节不同电压，绘制的液相隔膜放电等离子体的电流-电压曲线。由图2可知，整个放电过程分为四段：0~180 V段，电流电压基本呈线性关系，发生普通电解；180~450 V段，电流波动较大，整体呈下降趋势；450~600 V段，电流较为稳定，有不连续火花产生；600 V以后随电压的增大辉光逐渐增强。但由于电压过高，能耗较大，且辉光太强对石英管小孔损害过大。因此本发明主要选用电压为600~800 V左右的辉光放电进行制备纳米Fe3O4。
2、红外测试
采用美国DIGILAB FTS 3000 FT-IR型红外光谱仪在400~4000 cm-1范围表征纳米Fe3O4的结构。图3为700 V放电下纳米Fe3O4的红外光谱，在3442.3 cm–1 处出现的一个宽的吸收峰归属于Fe3O4中吸附水的 O-H 键的伸缩振动峰；1633.7 cm–1处吸收峰归属于吸附水的O-H 弯曲振动峰；578.6 cm–1处出现强的伸缩振动峰, 对应于纳米Fe3O4的Fe-O 键，说明样品为Fe3O4晶体。通过与Fe3O4的标准红外谱图对比发现，Fe-O红外光谱向低波数移动, 发生红移，其原因是制得的纳米级Fe3O4晶体颗粒纳米尺寸效应导致尺寸减小所致。初步说明制备的材料为纳米级Fe3O4。
3、XRD 测试
用日本理学公司RD/MAX-RB X-射线粉末衍射仪测定制备样品的X-射线粉末衍射(XRD)图谱，采用Cu靶(Kα, λ= 0.154 056 nm)。图4为700 V放电下Fe3O4粒子的XRD图谱。由图可以看出，2θ=10~90°范围内有7个明显的衍射峰，分别位于30.21,35.58,43.30,53.44,57.36,62.88,74.34°, 经过与JCPDS(No.74-0748)标准卡片对照，发现所有的衍射峰位置和标准卡片数据吻合较好，表明所制备的样品为面心立方晶系结构的反尖晶石型Fe3O4。这7个衍射峰分别对应于立方相磁性Fe3O4的(220),(311),(400),(422),(511),(440),(533) 晶面的衍射。从图4还可以看出，这7个衍射峰都有非常明显的宽化现象。由于衍射峰宽化是纳米粒子的特性之一，表明所制备的样品粒径较小，处于纳米量级。假设所制备的颗粒为球形，依据Debye-Scherrer公式: D=kλ /(β cosθ )，其中，λ = 0.15406 nm；k为峰形因子，其值一般取0.89；D为晶体的平均粒径；θ 为衍射角，单位为弧度(rad)；β 为校正后的半峰宽，单位为弧度(rad)。取2θ 为35.58°时的半峰宽计算得出纳米Fe3O4粒子的平均粒径尺寸为18.8nm，表明Fe3O4具有非常小的晶粒尺寸。从图4中容易看出，各样品的衍射峰的强度均较大，说明晶体的结晶程度良好。且在XRD 图谱中未出现其他杂质衍射峰，表明产物纯度较高。一般认为25 nm 以下的Fe3O4纳米颗粒具有超顺磁性, 因此实验所得的Fe3O4样品已经具备了超顺磁性粒子的条件。
4、扫描电镜(SEM)测试
使用德国Zeiss公司的plus FESEM型扫描电子显微镜对纳米Fe3O4进行扫描，以观察样品的大小及形貌。观察前样品在60℃真空干燥后喷金。图5为700 V放电下本发明制备的纳米Fe3O4在不同放大倍数下的SEM形貌。从图5可以看出，液相隔膜放电等离子体法制备得到的Fe3O4纳米粒子主要为近球形结构，团聚小，粒子大小均匀，粒子的直径在15~25 nm之间，这一结果与XRD中用Scherrer公式计算结果一致。
5、透射电镜(TEM)分析
图6为700 V放电下本发明制备的纳米Fe3O4粒子的透射电镜。从图可以看出，磁性Fe3O4粒子大小较均一，形状近似球形，粒子粒径为15~30 nm，团聚小、分散性好。这一结果与SEM和XRD测试结果一致。
6、粒径测试
取少许产品，加入适量无水乙醇，超声分散 30 min，使用LS-900激光粒度分析仪测定样品的粒径分布和平均粒径。由图7可知，产品的粒径主要集中在200~500 nm 之间，最频值为340 nm，粒度分布比较均匀。显然，激光粒度分析仪测试的粒度结果明显比XRD、SEM和TEM测试结果大，这可能是由于纳米颗粒分散不均，纳米粒子的强团聚特性导致激光粒度分析仪测定所得是多个纳米Fe3O4晶体的团聚体，而不是像XRD计算得到的纳米颗粒的平均粒径。另外，激光粒度仪所测定的粒径是磁性纳米粒子的水合动力学半径，它是Fe3O4粒径与水化层厚度之和，而用 TEM 观察到的仅为颗粒的粒径，不包括水化层厚度。
综上所述，本发明相对现有技术具有以下效果：
1、本发明用牺牲阳极的电解液液相隔膜放电等离子体制备纳米Fe3O4，设备简单、操作容易、条件温和(室温，无需其他气体保护）、反应可控(改变参数如电压或电流的大小、通电时间、电解液浓度等，获得不同形貌、不同粒径的纳米颗粒)；成本低，无污染，可进行工业化生产；
2、本发明具有产物纯度高、便于分离(制备的材料具有超顺磁性，可以用磁铁进行分离提纯)，所用的化学试剂种类少、用量低，减小了对环境的污染，是一种环境友好的绿色制备新技术；
3、本发明制备的Fe3O4粒径呈近球状结构，团聚小、分散性好，粒度分布均匀，在磁存储材料、特种涂料、微波吸收、磁多功能复合材料、催化剂、药物靶向引导及生物工程等领域具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明液相隔膜放电等离子体装置的结构示意图。
图2为本发明液相隔膜放电的电流-电压曲线。
图3为本发明在700 V电压下制备的纳米Fe3O4的红外光谱。
图4为本发明在700 V电压下制备的纳米Fe3O4的XRD谱。
图5为本发明在700 V电压下制备的纳米Fe3O4在不同放大倍数下的SEM形貌。 (a)×50000； (b) ×100000。
图6为本发明在700 V电压下制备的纳米Fe3O4的TEM形貌。
图7为本发明在700 V电压下制备的纳米Fe3O4的粒径分布图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明制备纳米Fe3O4的方法作进一步的说明。
实施例1
阴极和阳极废铁丝的处理：取直径3 mm、长15 cm的废铁丝，用砂纸打磨光滑、抛光后，在丙酮中浸泡1 h，然后分别在乙醇和去离子水中各超声洗涤10 min，以去除废铁丝表面的杂质。
液相隔膜放电等离子体装置：取250 mL温度可控的反应器1，加入200 mL 2g/L硫酸钠溶液作为电解液2；电解液中插入为直径5 mm的阴极废铁丝3和直径为1.5 cm的石英管4；上述处理的阳极废铁丝5置于石英管4中；在距离石英试管底部1 cm处开一个直径为0.5mm的小孔6，使阴阳极电解液通过小孔6相连；阴阳极插溶液的深度为1.5 cm，同时小孔6发出的辉光正好辐射到阳极铁丝5上。
纳米Fe3O4的制备：控制两极间电压为600 V，电流150 mA时，小孔中产生辉光，形成稳定的辉光放电等离子体，为了溶液的均匀性，以100 r/min对溶液进行持续搅拌。放电过程中，阳极铁丝不断消耗，溶液由无色→淡黄→棕色→灰绿色→黑色转变；持续放电2 h后，得到黑色Fe3O4纳米颗粒；通过外加磁铁10 min内即可将磁性颗粒从反应体系中完全分离出来；再通过多次洗涤，分离，50~70 ℃ 真空干燥至恒重，研磨，即得到纳米Fe3O4。XRD测试表明，粒径约为22 nm。
实施例2
阳极废铁丝的处理：同实施例1；
液相放电等离子体装置：电解液的浓度为1.5 g/L，其它同实施例1；
纳米Fe3O4的制备：控制两极间电压在700 V，其它同实施例1。XRD测试表明，粒径约为20 nm。
实施例3
阳极废铁丝的处理：同实施例1；
液相放电等离子体装置：电解液的浓度为1.5 g/L，其它同实施例1；
纳米Fe3O4的制备：控制两极间电压在750 V，其它同实施例1。XRD测试表明，粒径约为20 nm。
Claims (9)
1.一种利用废铁丝制备纳米Fe3O4的方法，是以硫酸钠溶液为电解质，以废铁丝为阴极和阳极，利用液相隔膜放电等离子体辐射阳极，通过电化学牺牲阳极的铁丝得到纳米Fe3O4。
2.如权利要求1所述利用废铁丝制备纳米Fe3O4的方法，其特征在于：是由以下装置和工艺完成：
液相隔膜放电等离子体装置：包括反应器（1）及其内的电解液（2），插入电解液中的阴极废铁丝（3）和石英管（4），阳极废铁丝（5）置于石英管（4）中，并在石英管上距离石英管底部0.8~1.2 cm处开一个直径为0.5~1.0 mm的小孔（6），使阴阳极电解液通过该小孔相连，同时小孔（6）发出的辉光正好辐射到阳极铁丝（5）上；
制备工艺：利用液相隔膜放电等离子体装置，控制电压在600~800 V，电流150~250 mA下，小孔中产生辉光，形成稳定的辉光放电等离子体；放电过程中，阳极铁丝不断消耗，溶液由淡黄变为棕色，最后变为亮黑色；持续放电2~3 h后，用磁铁分离，分别用蒸馏水和无水乙醇洗涤数次，分离，干燥，研磨，即得黑色纳米Fe3O4。
3.如权利要求2所述利用废铁丝制备纳米Fe3O4的方法，其特征在于：石英管上小孔的直径为0.5 ~1.0 mm。
4.如权利要求2所述利用废铁丝制备纳米Fe3O4的方法，其特征在于：阴阳极插入电解液的深度为1.5 ~3.0 cm。
5.如权利要求2所述利用废铁丝制备纳米Fe3O4的方法，其特征在于：阴阳极废铁丝的直径为2~6 mm。
6.如权利要求2所述利用废铁丝制备纳米Fe3O4的方法，其特征在于：电解液硫酸钠溶液的浓度为 1~4 g/L。
7.如权利要求2所述利用废铁丝制备纳米Fe3O4的方法，其特征在于：干燥是在50~70 ℃下真空干燥。
8.如权利要求2所述利用废铁丝制备纳米Fe3O4的方法，其特征在于：反应过程中，以80~150 r/min的速度对电解液进行持续搅拌。
9.如权利要求2所述利用废铁丝制备纳米Fe3O4的方法，其特征在于：阳极废铁丝的处理：将阳极废铁丝打磨、抛光后在丙酮中浸泡30 min，再分别在乙醇和去离子水中各超声洗涤10 min，以去除废铁丝表面的杂质。
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Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106809882A (zh) * | 2017-04-01 | 2017-06-09 | 电子科技大学 | 一种四氧化三铁纳米材料及其制备方法 |
| CN107226487A (zh) * | 2017-06-19 | 2017-10-03 | 吉林大学 | 基于中空磁性微米球的宽频带吸波材料及制备方法 |
| CN108044125A (zh) * | 2017-09-14 | 2018-05-18 | 白银有色集团股份有限公司 | 一种利用液体隔膜放电等离子体制备Ag纳米颗粒的方法 |
| CN108046342A (zh) * | 2017-09-14 | 2018-05-18 | 白银有色集团股份有限公司 | 利用液体隔膜放电等离子体制备纳米β-Ni(OH)2的方法 |
| CN111155137A (zh) * | 2020-01-17 | 2020-05-15 | 西北师范大学 | 液体阴极辉光放电等离子体制备纳米四氧化三铁的方法 |
| CN113816433A (zh) * | 2021-10-15 | 2021-12-21 | 兰州理工大学 | 利用含铁固废酸浸液制备孔径可调多孔四氧化三铁的方法 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1316309A (zh) * | 2001-03-16 | 2001-10-10 | 太原理工大学 | 双辉空心阴极放电制备纳米材料的方法 |
| CN1473206A (zh) * | 2000-11-08 | 2004-02-04 | 等离子电镀 | |
| CN1642383A (zh) * | 2004-12-28 | 2005-07-20 | 西北师范大学 | 接触辉光放电等离子体发生装置 |
| CN101003893A (zh) * | 2007-01-18 | 2007-07-25 | 天津大学 | 多晶四氧化三铁薄膜材料的制备方法 |
| CN104278296A (zh) * | 2013-07-12 | 2015-01-14 | 原子能与替代能源委员会 | 合成金属泡沫的方法、金属泡沫、其用途和包含该金属泡沫的器件 |
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Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1473206A (zh) * | 2000-11-08 | 2004-02-04 | 等离子电镀 | |
| CN1316309A (zh) * | 2001-03-16 | 2001-10-10 | 太原理工大学 | 双辉空心阴极放电制备纳米材料的方法 |
| CN1642383A (zh) * | 2004-12-28 | 2005-07-20 | 西北师范大学 | 接触辉光放电等离子体发生装置 |
| CN101003893A (zh) * | 2007-01-18 | 2007-07-25 | 天津大学 | 多晶四氧化三铁薄膜材料的制备方法 |
| CN104278296A (zh) * | 2013-07-12 | 2015-01-14 | 原子能与替代能源委员会 | 合成金属泡沫的方法、金属泡沫、其用途和包含该金属泡沫的器件 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| ZHAZGUL KELGENBAEVA ET AL.: "Magnetite Nanoparticles Synthesized Using Pulsed Plasma in Liquid", 《JAPANESE JOURNAL OF APPLIED PHYSICS》 * |
Cited By (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106809882A (zh) * | 2017-04-01 | 2017-06-09 | 电子科技大学 | 一种四氧化三铁纳米材料及其制备方法 |
| CN106809882B (zh) * | 2017-04-01 | 2018-02-13 | 电子科技大学 | 一种四氧化三铁纳米材料及其制备方法 |
| CN107226487A (zh) * | 2017-06-19 | 2017-10-03 | 吉林大学 | 基于中空磁性微米球的宽频带吸波材料及制备方法 |
| CN108044125A (zh) * | 2017-09-14 | 2018-05-18 | 白银有色集团股份有限公司 | 一种利用液体隔膜放电等离子体制备Ag纳米颗粒的方法 |
| CN108046342A (zh) * | 2017-09-14 | 2018-05-18 | 白银有色集团股份有限公司 | 利用液体隔膜放电等离子体制备纳米β-Ni(OH)2的方法 |
| CN108046342B (zh) * | 2017-09-14 | 2019-10-18 | 白银有色集团股份有限公司 | 利用液体隔膜放电等离子体制备纳米β-Ni(OH)2的方法 |
| CN108044125B (zh) * | 2017-09-14 | 2021-03-05 | 白银有色集团股份有限公司 | 一种利用液体隔膜放电等离子体制备Ag纳米颗粒的方法 |
| CN111155137A (zh) * | 2020-01-17 | 2020-05-15 | 西北师范大学 | 液体阴极辉光放电等离子体制备纳米四氧化三铁的方法 |
| CN111155137B (zh) * | 2020-01-17 | 2022-02-01 | 西北师范大学 | 液体阴极辉光放电等离子体制备纳米四氧化三铁的方法 |
| CN113816433A (zh) * | 2021-10-15 | 2021-12-21 | 兰州理工大学 | 利用含铁固废酸浸液制备孔径可调多孔四氧化三铁的方法 |
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