CN113860383B - 一种四氧化三铁纳米颗粒的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及纳米材料技术领域，具体涉及一种四氧化三铁纳米颗粒的制备方法，采用加装氨水容器的连续流反应器，将不同浓度的Fe2+水溶液注入的旋转的圆盘在其表面形成一层薄膜，与挥发的氨气和薄膜内的溶解氧进行反应，仅需几秒即可在出液口处收集产物，所得的反应液用钕铁硼强磁铁进行磁分离，即得到四氧化三铁纳米颗粒。与现有技术相比，本发明不需要有机溶剂和表面活性剂等助剂，不需要加温加压和惰性气体保护等反应条件；采用空气氧化方法，反应条件温和，产物易于提纯，生产成本低廉，所得的四氧化三铁纳米颗粒平均粒径可以通过反应器参数设置进行调控，适合大规模工业生产。

Description

一种四氧化三铁纳米颗粒的制备方法
技术领域
本发明涉及纳米材料技术领域，具体涉及一种四氧化三铁纳米颗粒的制备方法。
背景技术
磁性四氧化三铁纳米粒子是一组尺寸小于100纳米的工程和特殊材料，可以在外部磁场的作用下进行操纵，不仅仅被广泛应用于磁记录介质、气体传感、染料中，而且还在医疗应用等领域，包括磁共振成像(MRI)，药物递送系统，医疗诊断，癌症治疗，微波器件，磁光器件等大量应用。具有可控尺寸的磁性纳米颗粒的合成非常重要，因为这些磁性纳米颗粒的性质强烈依赖于它们的尺寸，并且表征磁性纳米颗粒的尺寸依赖的物理化学性质也很重要，低成本和良好再现性的大规模生产方案的开发，是需要解决的关键问题。
目前合成四氧化三铁纳米颗粒的湿化学方法主要是共沉淀法和热分解方法，共沉淀法制备的四氧化三铁纳米颗粒方法需要将二价铁盐和三价铁盐混合溶液与氢氧化钠或氨水沉淀反应，制备简单产物颗粒具有宽尺寸分布，而热分解可以制备出高质量纳米粒子，但生产很少遵守绿色化学规则，使用惰性气体氛围、有机溶剂、昂贵且有毒的试剂以及长时间的高反应温度；且合成主要以实验室、小规模、分批量合成。
发明内容
针对以上问题，本发明提供了一种反应条件温和、成本低廉、合成方式绿色且可以连续生产制备可再现的不同尺寸规格的四氧化三铁纳米颗粒的制备方法。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种四氧化三铁纳米颗粒的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，配置Fe2+水溶液，将Fe2+加入到去离子水中，得Fe2+水溶液；
步骤2，将装有氨水的容器固定在连续流反应器内壁上；
步骤3，将步骤1制得的Fe2+水溶液注入步骤2中加装氨水容器固定的连续流反应器中，并调节Fe2+水溶液的注入流速和连续流反应器的圆盘转速，收集所得反应产物；
步骤4，将步骤3制得的反应产物用磁铁进行磁分离，即得四氧化三铁纳米颗粒。
优选地，所述步骤1中，Fe2+可以是氯化亚铁、硫酸亚铁、硝酸亚铁等其中任意一种的可溶性亚铁盐溶液。
优选地，所述步骤3中，Fe2+水溶液浓度为1mM-200mM，溶液注入流速为0.1ml/s-10ml/s，连续流反应器的转速为10rpm-2500rpm，反应温度为0℃-80℃。
通过采用上述技术方案，配置不同浓度Fe2+水溶液，设定不同的注入速度将溶液注入加装氨水容器的连续流反应器的圆盘表面形成一层薄膜，通过调节圆盘转速调节薄膜中溶解氧的含量和与氨水挥发的氨气和溶解氧混合反应程度，所得产物用磁铁进行磁分离，即得到四氧化三铁纳米颗粒。
本发明不需要惰性氛围，开发的连续流动工艺允许制备不同尺寸的均匀磁铁矿纳米颗粒。与其他批量合成方法相比，本发明使用特定浓度、流速和转速连续制备出尺寸分布窄的四氧化三铁纳米颗粒，操作更简单，仅使用了单独的二价铁盐溶液和氨水，大大减少了原料成本和后处理成本。而且本发明为连续生产，生产效率高，占地小，得到的四氧化三铁纳米颗粒纯度高、粒径分布窄。
本发明有益效果：
1、本发明仅使用Fe2+盐，利用空气氧化合成四氧化三铁，所需原料十分廉价，反应成本极低。
2、本发明借助连续流反应器合成的四氧化三铁纳米颗粒，连续生产可大规模制备。
3、本发明基于连续流反应器，可以通过控制Fe2+浓度、注入流速和转速来制备均匀分散的四氧化三铁纳米颗粒，制备出的四氧化三铁纳米颗粒尺寸分布窄。
4、本发明使用二价铁水溶液在旋转盘上形成微薄膜，吸附空气中氧气和氨水挥发出来的氨气并进行快速反应和结晶制备四氧化三铁纳米颗粒，所得的四氧化三铁纳米颗粒平均粒径可以通过反应器参数设置进行调控。
5、本发明使用二价铁氧化连续流生产制备的四氧化三铁纳米颗粒粒径可控(3nm到30nm)，饱和磁化强度最高可达89emu/g，适合大规模工业生产。
6、本发明合成装置简单易操作，反应条件温和，实验过程绿色无污染，所耗时间短，有很高的工业化应用前景。
附图说明
图1是本发明实施例1-3所制得的四氧化三铁纳米颗粒的XRD图。
图2是本发明实施例1-3所制得的四氧化三铁纳米颗粒SEM图。
图3是本发明实施例1-3所制得的四氧化三铁纳米颗粒DLS图。
具体实施方式
下面结合附图将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以使本领域的技术人员能够更好的理解本发明的优点和特征，从而对本发明的保护范围做出更为清楚的界定。本发明所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明所用各种原料均为市售分析纯。
实施例1
一种通过氧化沉淀连续生产四氧化三铁纳米颗粒的方法，具体包括以下步骤：
将装有10ml的氨水容器固定在连续流反应器侧壁上，将0.3976gFe2+盐加入到50ml去离子水中，通过设定Fe2+水溶液浓度为1mM，溶液注入流速为1ml/s，然后调节连续流反应器的圆盘转速为1000rpm，反应温度为20℃，所得产物用磁铁进行磁性分离，即得四氧化三铁纳米颗粒。其中，上述Fe2+为氯化亚铁。
实施例2
将装有10ml的氨水容器固定在连续流反应器侧壁上，将1.988gFe2+盐加入到50ml去离子水中，通过设定Fe2+水溶液浓度为100mM，溶液注入流速为0.3ml/s，然后调节连续流反应器的圆盘转速为2000rpm，反应温度为50℃，所得产物用磁铁进行磁性分离，即得四氧化三铁纳米颗粒。其中，上述Fe2+为氯化亚铁。
实施例3
将装有10ml的氨水容器固定在连续流反应器侧壁上，将0.7952gFe2+盐加入到50ml去离子水中，通过设定Fe2+水溶液浓度为200mM，溶液注入流速为4ml/s，然后调节连续流反应器的圆盘转速为1250rpm，反应温度为80℃，所得产物用磁铁进行磁性分离，即得四氧化三铁纳米颗粒。其中，上述Fe2+为氯化亚铁。
最后，采用X射线衍射仪对上述实施例1-3制得的四氧化三铁纳米颗粒进行测定，所得产物XRD图如图1所示，从图1中可以得出，所得产物为纯相四氧化三铁纳米颗粒。
采用扫面电镜仪对上述实施例1-3制得的四氧化三铁纳米颗粒进行测定，所得产物SEM图如图2所示，从图2中可以得出，所得产物尺寸分布均匀，且直径低于15nm，具备超顺磁性。
采用纳米粒度分散仪对上述实施例1-3制得的四氧化三铁纳米颗粒进行测定，所得产物DLS图如图3所示，从图3中可以得出，所得产物尺寸分布范围窄。
另外，需要说明的是，本发明上述涉及的连续流反应器为专利CN111495291A公开的现有技术，因此该连续流反应器的结构、工作原理、使用方法等在这里不再详细阐述。
以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (2)

1.一种四氧化三铁纳米颗粒的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1，配置Fe2+水溶液，将Fe2+加入到去离子水中，得Fe2+水溶液；
步骤2，将装有氨水的容器固定在连续流反应器内壁上；
步骤3，将步骤1制得的Fe2+水溶液注入步骤2中加装氨水容器固定的连续流反应器中，并调节Fe2+水溶液的注入流速和连续流反应器的圆盘转速，收集所得反应产物；
步骤4，将步骤3制得的反应产物用磁铁进行磁分离，即得四氧化三铁纳米颗粒；
所述步骤3中，Fe2+水溶液浓度为1mM-200 mM，溶液注入流速为0.1 mL/s-10 mL/s，连续流反应器的转速为10 rpm-2500 rpm，反应温度为0 °C-80 °C。
2.根据权利要求1所述的一种四氧化三铁纳米颗粒的制备方法，其特征在于：所述步骤1中，Fe2+为氯化亚铁、硫酸亚铁或硝酸亚铁中的任意一种。
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