_Fe_2O_3_SiO_2纳米材料的制备及其磁学性能的研究

第39卷第3期2010年5月内蒙古师范大学学报(自然科学汉文版)Journal of Inner Mongolia Normal University (Natural Science Edition )Vol.39No.3May 2010收稿日期:2009207201基金项目:国家自然科学基金资助项目(20861006);内蒙古人才开发基金项目作者简介:高艺玮(1985-),女,辽宁省辽阳市人,内蒙古师范大学硕士研究生通信作者:长　山(1959-),男(蒙古族),内蒙古呼和浩特市人,内蒙古师范大学教授,主要从事半导体光催化剂及纳米磁性材料研究,E 2mail :asuha42@.γ2Fe 2O 3/SiO 2纳米材料的制备及其磁学性能的研究高艺玮,赵斯琴,周新革,德力格尔,长　山(内蒙古师范大学化学与环境科学学院内蒙古功能材料物理与化学重点实验室,内蒙古呼和浩特010022)摘　要:以尿素铁配合物和正硅酸乙酯分别作为γ2Fe 2O 3和SiO 2的前躯体,通过溶胶-凝胶工艺制备了γ2Fe 2O 3/SiO 2纳米氧化物,并研究了各种反应条件对样品性质的影响,用XRD 、F TIR 、SEM 和磁性测定等手段进行了表征.结果表明,焙烧温度对产物的晶相影响较大,当焙烧温度为200℃时,氧化物中析出的氧化铁为γ2Fe 2O 3;当焙烧温度高于300℃时,除γ2Fe 2O 3以外还产生了α2Fe 2O 3,并且其含量随着焙烧温度的升高而增加;γ2Fe 2O 3和SiO 2的摩尔比对产物也有较大的影响.关键词:γ2Fe 2O 3/SiO 2;纳米氧化物;溶胶-凝胶工艺;磁学性能中图分类号:TQ 174 文献标识码:A 文章编号:1001228735(2010)032202862205纳米Fe 2O 3粒子在催化、防腐、颜料以及磁记录材料等领域有广泛的应用,一直是人们研究的热点[123].其中Fe 2O 3的晶型和颗粒尺寸是影响其性能的一个重要因素.将Fe 2O 3颗粒分散在某种基体(如SiO 2)之中制成的磁性纳米材料,可有效地防止纳米颗粒间的相互团聚,从而控制颗粒尺寸大小.由非磁性的绝缘氧化物基体和镶嵌在其中的磁性纳米颗粒组成的磁性纳米材料,已引起广泛的关注.这两者复合而成的磁性纳米材料通常具有纳米材料、磁性材料、陶瓷材料的多重性质,拥有广阔的应用前景.采用溅射、蒸发、球磨以及湿化学法等可以获得这种纳米材料[4212],其中溶胶-凝胶工艺在制备过程中反应温度较低,从而使各种氧化物-氧化物、有机-无机以及陶瓷-金属之间的复合都有可能实现.以往的γ2Fe 2O 3/SiO 2纳米材料制备方法多是用铁的无机盐和正硅酸乙酯(Si (OC 2H 5)4)为原料,通过调节前躯体浓度或热处理温度来对粉体中γ2Fe 2O 3颗粒的大小进行调控[13215].但是使用硝酸铁、硫酸铁或氯化铁等无机盐的制备工艺,除了得到γ2Fe 2O 3以外,往往还伴随有α2Fe 2O 3产物,我们最近发现了一种直接使用尿素铁配合物([Fe (CON 2H 4)6](NO 3)3)制备纯γ2Fe 2O 3纳米粒子的简单方法[16217].本文以[Fe (CON 2H 4)6](NO 3)3和Si (OC 2H 5)4为原料,采用溶胶-凝胶方法制备γ2Fe 2O 3/SiO 2纳米氧化物,并用各种分析手段对其进行表征.1　实验部分1.1　实验试剂Fe (NO 3)3・9H 2O (分析纯),尿素(分析纯),无水乙醇(分析纯),Si (OC 2H 5)4(分析纯),水为二次去离子水.1.2　[Fe (CON 2H 4)6](NO 3)3的制备用乙醇溶剂法制备γ2Fe 2O 3,将10g 硝酸铁溶于20mL 无水乙醇中,待硝酸铁全部溶解后,向其中加入尿素,并继续搅拌 2.5h ,直至得到淡绿色的沉淀,将沉淀过滤,在室温下自然晾干,得到[Fe (CON 2H 4)6](NO 3)3.　第3期高艺玮等:γ2Fe 2O 3/SiO 2纳米材料的制备及其磁学性能的研究 1.3　γ2Fe 2O 3/SiO 2纳米氧化物的制备以[Fe (CON 2H 4)6](NO 3)3为γ2Fe 2O 3的前躯体,以Si (OC 2H 5)4作为SiO 2的前躯体,用溶胶-凝胶法制备摩尔比分别为5∶10,10∶90,20∶80,30∶70,40∶60和50∶50的γ2Fe 2O 3/SiO 2纳米氧化物.将20mL 无水乙醇和Si (OC 2H 5)4混合,得到A 溶液.按正硅酸乙酯(TEOS )和水的摩尔比为1∶3取一定量的二次去离子水,并将合成的[Fe (CON 2H 4)6](NO 3)3加入其中,搅拌溶解,用稀硝酸调节p H 值小于1,得到B 溶液.在不断搅拌下,将B 溶液缓慢滴入到A 溶液中,全部滴完后,继续搅拌混合溶液4.5h ,将溶胶倒入蒸发皿,在空气中胶化2d ,将蒸发皿放入烘箱中在60℃下干燥2h ,得到干凝胶,然后在不同温度下焙烧2h ,得到γ2Fe 2O 3/SiO 2纳米氧化物.1.4　表征技术γ2Fe 2O 3/SiO 2纳米氧化物的晶相用Philip 公司Pw 1830型X 线衍射仪进行分析,Cu 靶Ka 射线,波长λ=0.154nm ,扫描范围20°～70°.化学结构用Nicolet 公司N EXU S 607型傅立叶变换红外光谱仪(F T -IR )分析,所得粉末状样品采用K Br 压片法制样,光谱扫描范围400～4000cm -1,分辨率4cm -1.粒子形貌用德国Zeiss 公司Sup ra 255型扫描电子显微镜(SEM )测试,加速电压200kV.磁滞回线用Lake Shore 7407型振动样品磁强计(VSM )分析,称取约一定量的样品,用擦镜纸包裹后蜡封进行测量.2　结果与讨论2.1　焙烧温度对γ2Fe 2O 3/SiO 2纳米氧化物性质的影响图1是在不同温度下焙烧所得30Fe 2O 3・70SiO 2样品的X 射线衍射图谱.从图1可以看出,在200℃焙烧时,各晶体衍射峰的峰位均与γ2Fe 2O 3标准卡(J CPDS No.3921346)的峰位完全一致,表明样品中有γ2Fe 2O 3晶相析出.Fe 3O 4和γ2Fe 2O 3的衍射峰位置非常接近,但从晶面间距值来看,得到的数据比较符合γ2Fe 2O 3的标准卡.样品呈棕褐色,也表明析出的晶体是γ2Fe 2O 3.利用Scherrer 公式算得晶粒粒径约为20nm.当焙烧温度高于300℃时,开始有α2Fe 2O 3的衍射峰出现,并且其峰强度随着焙烧温度的升高而逐渐增强,表明随着焙烧温度的升高γ2Fe 2O 3逐渐向α2Fe 2O 3转化.因此,制备纯γ2Fe 2O 3/SiO 2纳米氧化物的最佳焙烧温度为200℃. 图1　不同温度下焙烧30Fe 2O 3・70SiO 2 图2　在不同温度下焙烧30Fe 2O 3・70SiO 2样品的XRD 图谱 样品的红外吸收光谱 Fig.1XRD patterns for the 30Fe 2O 3・70SiO 2samples Fig.2FTIR spectra for the 30Fe 2O 3・70SiO 2prepared at different temperatures samples prepared at different temperatures图2是不同温度下焙烧30Fe 2O 3・70SiO 2样品的IR 图谱.由图2可见,当焙烧温度为200℃时,在446.34cm -1、555.23cm -1、637.62cm -1和696.70cm -1处出现了明显的属于γ2Fe 2O 3的Fe —O 特征吸收・782・ 内蒙古师范大学学报(自然科学汉文版)第39卷　峰,1071.83cm -1和798.92cm -1处的强吸收峰属于Si -O 键特征吸收,显示干凝胶中已经形成SiO 2网络体系;当焙烧温度高于300℃时,637.62cm -1和696.70cm -1处的γ2Fe 2O 3特征吸收峰消失;当焙烧温度达到600℃时,446.34cm -1处的γ2Fe 2O 3特征吸收峰消失的同时,在461.10cm -1处出现了强吸收峰,该吸收峰是属于α2Fe 2O 3的特征吸收峰.这表明,在焙烧温度为200℃时,氧化铁主要以γ2Fe 2O 3形式存在,随着焙烧温度的升高,它逐渐向α2Fe 2O 3晶型转化.此结果与X 线衍射结果完全吻合.2.2　氧化铁含量对γ2Fe 2O 3/SiO 2纳米氧化物性质的影响图3是具有不同组成γ2Fe 2O 3/SiO 2纳米氧化物的X 线衍射图谱(焙烧温度均为200℃).由图3可知,当Fe 2O 3的含量小于10%时,所得γ2Fe 2O 3/SiO 2纳米氧化物均为非晶态;当Fe 2O 3的含量增加到20%时,开始有γ2Fe 2O 3的衍射峰出现,但不太明显;当Fe 2O 3的含量增加到30%时,γ2Fe 2O 3的衍射峰强度明显增强,表明此时样品中有结晶更好的γ2Fe 2O 3析出;当Fe 2O 3的含量增加到50%时,开始有微弱的α2Fe 2O 3的衍射峰出现,但从相对峰强度来看,氧化铁主要还是以γ2Fe 2O 3的形式存在.利用Scherrer 公式算得Fe 2O 3含量为30%、焙烧温度为200℃时的晶粒粒径约为20nm.从图3还可以看出,随着Fe 2O 3含量的增加,γ2Fe 2O 3的特征吸收峰越来越尖锐,说明γ2Fe 2O 3的粒径越来越大. 图3　不同组成γ2Fe 2O 3/SiO 2样品的XRD 图谱 图4　30Fe 2O 3・70SiO 2样品的扫描电镜照片 Fig.3XRD patterns for the γ2Fe 2O 3/SiO 2 Fig.4SEM micrograph of 30Fe 2O 3・70SiO 2samplesamples with differentcomposition图5　30Fe 2O 3・70SiO 2样品的磁滞回线Fig.5Hysteresis loop s of 30Fe 2O 3・70SiO 2sample2.3　γ2Fe 2O 3/SiO 2纳米氧化物的形貌表征图4为经200℃焙烧所得30Fe 2O 3・70SiO 2纳米氧化物的SEM 照片.由图4可以看出,每个粒子都是更小粒子的团聚体,其粒径比较均匀,大约在30nm左右.2.4　γ2Fe 2O 3/SiO 2纳米氧化物的磁性图5为经200℃焙烧所得30Fe 2O 3・70SiO 2纳米氧化物的室温磁滞回线.由图5可知,样品的磁滞回线具有一定的顽磁和剩磁,表明纳米氧化物具有强磁性,其饱和磁化强度为20.9A ・m 2/kg ,换算得到纯γ2Fe 2O 3的饱和磁化强度为69.7A ・m 2/kg.这一数值略低于体相γ2Fe 2O 3(73.5A ・m 2/kg ).关于纳米级γ2Fe 2O 3的饱和磁化强度低于体相γ2Fe 2O 3的现象也曾有人报道过[16217],这主要是由纳米粒子的表面效应所致[18219].・882・　第3期高艺玮等:γ2Fe 2O 3/SiO 2纳米材料的制备及其磁学性能的研究 3　结论以[Fe (CON 2H 4)6](NO 3)3和Si (OC 2H 5)4分别作为γ2Fe 2O 3和SiO 2的前躯体,通过溶胶-凝胶工艺制备了γ2Fe 2O 3/SiO 2纳米氧化物,其最佳焙烧温度为200℃.制备的γ2Fe 2O 3/SiO 2纳米氧化物具有强磁性,其饱和磁化强度为20.9A ・m 2/kg.参考文献:[1]　叶锡生,沙健,陈斌.三氧化二铁纳米微晶的晶格畸变[J 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hat t he calcination temperat ure had a great effect on t he crystal p hase.When t he calcination temperat ure was set at 200℃,t he resulting iron oxide p hase was γ2Fe 2O 3;when t he calcination temperat ure was higher t han 300℃,a mixed p hase of γ2Fe 2O 3and α2Fe 2O 3was obtained ,and t he content of γ2Fe 2O 3increased wit h t he f urt her increasing of t he calcination tempera 2t ure.Besides t he calcination temperat ure ,t he molar ratio of γ2Fe 2O 3/SiO 2also has a great effect on resulting p roduct s.K ey w ords :γ2Fe 2O 3/SiO 2;nanooxides ;sol 2gel met hod ;magnetic property【责任编辑金淑兰】(上接第285页)Assessment of Ecological Securit y of Baotou Based on PSR ModelDaixiao ,L I Bai 2sui(College of Geog ra phical Science ,I nner Mongolia N ormal Universit y ,Hohhot 010022,China )Abstract :Based on t he p ressure 2state 2response model (PSR model ),t he warning indicator system of eco 2security of Baotou City was const ructed ,and correlation analysis of t he eco 2security factors influencing Baotou City were made.The result s showed t hat t he ecological security index of Baotou was growing year by year ,it ro se f rom 0.4732in year 2001to 0.6169in year 2005,which indicated t he security level had up graded to better condition.K ey w ords :ecological security ;PSR forewarning model ;Baotou City【责任编辑金淑兰】・092・。