TWI428284B - Sea urchin iron oxide and its manufacturing method - Google Patents
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Description
本發明係關於一種氧化鐵及其製造方法，特別係指一種海膽形氧化鐵及其製造方法。
鐵氧化物(例如三氧化二鐵)是一種常見的n型半導體材料，其具有不容易受到天氣影響、不具有毒性、具有光穩定度、良好紫光外吸收能力和遮蔽效應等特點，因此被廣泛應用在塗料、印刷油墨、作為氣體和溼度敏感材料、參與吸附、催化或電化學反應或是生物工程學等領域，但是鐵氧化物會因為顆粒尺寸、孔徑結構和形態等因素，使得鐵氧化物的電化學特性產生明顯差異。
目前較為常見的鐵氧化物形態包括有球形、奈米線形、奈米短桿形、奈米管形，另外也有研究人員嘗試開發出螺旋槳形或是海膽形的鐵氧化物，其中較為常見海膽形氧化鐵的製造方法主要包括有水熱合成法和模板法。其中水熱合成法是使金屬氧化物在無水環境下先與一介面活性劑進行反應，再藉由添加一輔助劑以生成金屬-介面活性劑的前驅物，隨後利用加水的方式使介面活性劑自發性的進行規則排列，而金屬氧化物則是進行水解縮合反應，以產生海膽狀的形態(Du和Cao，2008)；另外模板法則是利用磺酸聚苯乙烯(sulfonate polystyrene)的微球體做為硬模板，並加入含鐵溶液在水熱環境下進行合成以形成海膽形狀的鐵氧化物，隨後再以燒結的方式移除模板。
但前述現有的海膽形氧化鐵製造方法所合成出之海膽形氧化鐵與本發明的海膽形氧化鐵在外觀幾何形狀上有極大的不同，而且合成操作步驟繁複，或需進行繁複的模板製造步驟，其製造成本亦會相對提高，此外現有的方法必須對於製造環境的氣體氛圍加以控制或是在特定液態的環境下才能夠進行合成，具有無法有效控制海膽形氧化鐵的各項形態參數之缺點，因此在實際製造上仍存在有若干技術瓶頸。
本發明之一目的在於提供一種新型幾何形狀之海膽形氧化鐵材料，其包括有一核心和複數設置於核心表面且向外伸展之針狀延伸部，此針狀延伸部係均勻分布於核心之表面，本發明之海膽形氧化鐵係為奈米級之微細顆粒，且針狀延伸部的長寬比具有高比值的特性，因此可以廣泛應用於光電和觸媒材料等領域。
本發明之另一目的在於提供一種海膽形氧化鐵的製造方法，此製造方法具有操作簡單和可以降低成本的優點，其主要是利用熱氧化法將含鐵之粉末在室溫下進行加溫，使含鐵之粉末可以在均勻受熱的狀況下，在含鐵粉末之表面緩慢且均勻的發生氧化反應，以形成具有均勻針狀延伸部的海膽形氧化鐵，本發明之製造方法可以簡單的透過控制加熱溫度來氧化鐵針狀延伸部的尺寸，所形成的產物其結晶性、直徑、長度和外觀都十分一致，且針狀延伸部具有較大的長寬比比值，使其更適合於光電產業之應用。
請參考第1圖所示，本發明之海膽形氧化鐵1具有一核心10和一針狀延伸部11，此針狀延伸部11係均勻且為輻射狀的分布於核心10之表面，並具有一頂端111和一連接端112，連接端112係連結於核心10，頂端111係由核心10之表面向外延伸凸出，且針狀延伸部11之長度至少為100奈米(nm)，頂端111的直徑至少為10奈米(nm)，底部寬度至少為30奈米(nm)。
請參考第2圖所示，本發明海膽形氧化鐵的製造方法包括有下列步驟：提供原料20：提供一經研磨的含鐵粉末；及加熱氧化21：將該含鐵粉末放置於一基板上，進行升溫以一加熱溫度持續加熱此含鐵粉末一段時間。
在加熱氧化21步驟中，係以每分鐘升溫1至20℃之升溫速率由
室溫開始逐漸加溫至此加熱溫度，其加熱溫度係至少為220℃，加熱時間至少為1小時，在一實施例中，此加熱氧化21步驟係可在大氣下進行，不需施以特定氣氛條件，在另一實施例中，加熱氧化21步驟係在氧氣濃度至少為10莫耳百分比(mol%)的氣體環境下進行。
以下即以實施例詳細說明本發明海膽形氧化鐵及其製造方法。
實施例一：加熱溫度為300℃時對於形成海膽形氧化鐵的影響
本實施例中，係以鐵粉為原料，並以每分鐘5℃的升溫速度將加熱溫度由室溫提升至300℃之溫度，並以300℃之溫度對鐵粉持續進行加熱，其結果請參見第3A至3D圖所示，在以300℃之溫度進行加熱30分鐘後，鐵粉的表面開始緩慢出現氧化層，在加熱1小時後，鐵粉表面會布滿有氧化層，並開始出現微小的奈米針狀延伸部結構，此時針狀延伸部的頂端直徑約介於10至20奈米之間，當加熱至第10小時的時候，鐵粉的表面已經均勻分布有針狀延伸部，並呈現出海膽形的氧化鐵，且本實施例中，海膽形氧化鐵的針狀延伸部的長度約介於1.8至2.2微米之間，頂部直徑約介於20至30奈米之間，因此針狀延伸部長度和頂部直徑的比值約為86，本實施例中，海膽形氧化鐵的氧化速率約為每分鐘增加0.26%的產物重量。
實施例二：加熱溫度為350℃時對於形成海膽形氧化鐵的影響
本實施例中，係以鐵粉為原料，並以每分鐘5℃的升溫速度將加熱溫度由室溫提升至350℃之溫度後，以350℃之溫度對鐵粉持續進行加熱之結果，請參見第4A至4C圖所示，在以350℃之溫度加熱的前30分鐘內，鐵粉的表面便開始緩慢出現氧化層，在加熱1小時後，鐵粉表面會布滿有氧化層，並開始出現微小的奈米針狀延伸部結構，此時針狀延伸部的頂端直徑約介於20至30奈米之間，當加熱至第8小時，鐵粉的表面已經均勻分布有針狀延伸部，並呈現出海膽形的氧化鐵，且本實施例中，海膽形氧化鐵的針狀延伸部11的長度約介於1.8至2.2微米之間，頂部直徑約介於30至50奈米之間，因此針狀延伸部長度和頂部直徑的比值約為53，本實施例中，海膽形氧化鐵的
氧化速率約為每分鐘增加0.46%的產物重量。
實施例三：加熱溫度為400℃時對於形成海膽形氧化鐵的影響本實施例中，係以鐵粉為原料，並以每分鐘5℃的升溫速度將加熱溫度由室溫提升至400℃之溫度後，以400℃之溫度對鐵粉持續進行加熱之結果，請參見第5A至5C圖所示，在加熱30分鐘後，鐵粉表面便會開始出現微小的奈米針狀延伸部結構，此時針狀延伸部的頂端直徑約介於40至60奈米之間，當加熱至第6小時，鐵粉的表面已經均勻分布有針狀延伸部，並呈現出海膽形的氧化鐵，且本實施例中，海膽形氧化鐵的針狀延伸部的長度約介於1.8至2.2微米之間，頂部直徑約介於60至100奈米之間，因此針狀延伸部長度和頂部直徑的比值約為26，本實施例中，海膽形氧化鐵的氧化速率約為每分鐘增加1.24%的產物重量。
由上述實施例可以得知，本發明之海膽形氧化鐵其含鐵核心表面所生長出之針狀延伸部的長度和頂端的直徑比例，可以藉由調整加熱溫度而改變，因此可以針對海膽形氧化鐵的應用需求，而設定不同的加熱溫度，以形成具有不同針狀延伸部長度和頂部直徑比值的海膽形氧化鐵。
實施例四：海膽形氧化鐵結構分析
將利用本發明製造方法製成的海膽形氧化鐵利用X光繞射光譜進行分析可以得到如第6圖的圖譜，由圖中可以看出，本發明之海膽形氧化鐵係由α-三氧化二鐵、四氧化三鐵和α-鐵所組成，且因為海膽形氧化鐵上具有許多針狀延伸部，因此會使得(110)面的強度讀值較其他面的讀值高出許多，且在45度時仍有α-鐵的波峰出現，顯示仍有部分的鐵未被氧化，而藉由穿透式顯微鏡的分析可以知道，此針狀延伸部係由α-三氧化二鐵所組成。
由各實施例的電子顯微鏡照片圖可以看出，以加熱溫度持續對含鐵粉末進行加熱時，含鐵粉末表面的鐵會和空氣中的氧開始產生氧化作用，並產生各種鐵氧化物(例如四氧化三鐵和三氧化二鐵)的混合
物，隨著加熱時間的增加，不同的鐵氧化物會產生分層現象，在外層的鐵氧化物會因為和氧氣直接發生接觸，當溫度較低時，熱氧化速率便會較慢，導致在表面的鐵氧化物排列較緊密，當α-三氧化二鐵由表面的鐵氧化物穿出時，其頂端的直徑便會較小。
綜上所述，本發明可以藉由簡單的操作步驟製造出具有高針狀延伸部的長度和頂端的直徑比值的海膽形氧化鐵，不但節省時間成本也節省了製造成本，且此海膽形氧化鐵的形態特性更使得其十分適合應用於光電產業中。
1‧‧‧海膽形氧化鐵
10‧‧‧核心
11‧‧‧針狀延伸部
111‧‧‧頂端
112‧‧‧連接端
20‧‧‧提供原料
21‧‧‧加熱氧化
第1圖為本發明海膽形氧化鐵的形態示意圖。
第2圖為本發明海膽形氧化鐵的製造方法流程圖。
第3A圖為本發明實施例一之所使用之鐵粉在加熱至300℃時的電子顯微鏡照片圖。
第3B圖為本發明實施例一之鐵粉以300℃持續加熱30分鐘後的電子顯微鏡照片圖。
第3C圖為本發明實施例一之鐵粉以300℃持續加熱1小時後的電子顯微鏡照片圖。
第3D圖為本發明實施例一之鐵粉以300℃持續加熱10小時後的電子顯微鏡照片圖。
第4A圖為本發明實施例二之所使用之鐵粉在加熱至350℃時的電子顯微鏡照片圖。
第4B圖為本發明實施例二之鐵粉以350℃持續加熱1小時後的電子顯微鏡照片圖。
第4C圖為本發明實施例二之鐵粉以350℃持續加熱8小時後的電子顯微鏡照片圖。
第5A圖為本發明實施例三之所使用之鐵粉在加熱至400℃時的電子顯微鏡照片圖。
第5B圖為本發明實施例三之鐵粉以400℃持續加熱30分鐘後的電子顯微鏡照片圖。
第5C圖為本發明實施例三之鐵粉以400℃持續加熱6小時後的電子顯微鏡照片圖。
第6圖為本發明海膽形氧化鐵的X光繞射圖譜
1‧‧‧海膽形氧化鐵
10‧‧‧核心
11‧‧‧針狀延伸部
111‧‧‧頂端
112‧‧‧連接端
Claims (9)
- 一種海膽形氧化鐵，其包括有：一核心：係一含鐵粉末，且該核心的內層為α-鐵，中間層為四氧化三鐵，外層為α-三氧化二鐵；及複數針狀延伸部：為α-三氧化二鐵，係均勻且為輻射狀的分布於核心之表面，每一針狀延伸部具有一由核心之表面向外延伸凸出之頂端和一連結於核心之連接端。
- 如申請專利範圍第1項所述的海膽形氧化鐵，其中該針狀延伸部之長度至少為100奈米(nm)。
- 如申請專利範圍第1或2項所述的海膽形氧化鐵，其中該頂端的直徑至少為10奈米(nm)。
- 如申請專利範圍第3項所述的海膽形氧化鐵，其中該底部寬度至少為30奈米(nm)。
- 一種海膽形氧化鐵的製造方法，其包括有下列步驟：提供原料：提供一經研磨的含鐵粉末；及加熱氧化：將該含鐵粉末放置於一基板上，進行升溫並以300~400℃之加熱溫度持續加熱此含鐵粉末一段時間。
- 如申請專利範圍第5項的製造方法，該加熱至該加熱溫度之升溫速率為每分鐘升溫1至20℃。
- 如申請專利範圍第6項的製造方法，其中該加熱氧化步驟中之加熱時間至少為1小時。
- 如申請專利範圍第7項的製造方法，其中該加熱氧化步驟中具有一氧化速率，該氧化速率係每分鐘增加0.20至1.50重量百分比之產物重量。
- 如申請專利範圍第8項的製造方法，其中該加熱氧化步驟係在大氣環境下或是氧氣濃度至少為10莫耳百分比(mole%)的氣體環境下進行。
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