纳米Fe3O4粉末的制备与应用

纳米Fe3O4粉末的制备与应用

胡雷

中南大学冶金科学与工程学院，湖南长沙（410083）

E-mail：lizarazu82@

摘 要：概述了近年来制备纳米Fe3O4的各种方法的研究现状,并对磁性纳米Fe3O4的应用及其发展趋势做了简单的介绍,对其进一步的研究做了展望。

关键词：纳米Fe3O4粉末，制备，应用

中图分类号：TF123.7

1．引言

纳米材料由于具有与普通材料不同的若干特性[1-3]，如小尺寸效应、表面效应、吸波效应等而引起科技界的广泛重视。因此合成新的超细材料和研究新的合成方法是目前研究的热点。

纳米Fe3O4作为一种磁性纳米微粒，具有单磁畴结构，其矫顽力很高，用它制作磁记录材料可以提高信噪比，改善图相质量。由于Fe3O4纳米粒子具有磁性，故常用作磁流体的磁性粒子而将其制成磁悬浮液(即磁流体)，它既有固体的强磁性又有液体的流变性，其流动性和分布可由外加磁场实施定向和定位控制，因此在真空密封、音圈散热、快速印刷、分选矿物、精密研磨、传感器和宇航技术等领域获得广泛的应用[4-5]。它在医药中也有种种新奇的应用，如细胞磁分离、肿瘤的磁栓塞治疗、肿瘤的高热治疗、X射线造影剂、磁性靶向药物载体、视网膜脱离的修复手术、血流的磁测量、免疫测定等等[6-7]。罗新等人[8]对磁流体在医药中的应用及其原理作了比较详细的论述。尤其是磁性靶向药物载体的研究，近年来受到了越来越多的关注，采用高分子材料将其与药物包裹起来形成磁性微球[9-10]，通过静脉注射或口服进入体内，在外加磁场作用下，使其移向病变部位，达到定向治疗的目的。此外，纳米Fe3O4还在颜料[11-13]、磁记录[14]、催化[15]等领域得到了广泛的应用。

2．纳米Fe3O4粉末的制备方法

用液相法制备超细粉末较为成熟并被广泛采用，其特点是成核容易控制，成分均匀，可制得高纯复合氧化物，对于敏感材料具有重要意义。制备纳米Fe3O4颗粒多采用液相法。现介绍常用的几种液相方法以及球磨法等固相方法。

2.1沉淀法

沉淀法是通过化学反应使原料的有效成分生成沉淀，然后经过过滤、洗涤、干燥、烘干得到产品。该法操作比较简单，是一种经济的制备Fe3O4的方法。在直接沉淀法的基础上发展得到了共沉淀法、超生沉淀法、交流电沉淀法和络合物分解法等。

2.1.1 共沉淀法

该法是目前使用最普遍的方法，它是按方程式:

Fe2++2Fe3++8OH- → Fe3O4+ 4H2O (2-1)

进行反应的。通常是把Fe2+和Fe3+的硅酸盐或氯化物溶液以1 : 2，更多是2: 3的比例混合后，用过量的NH3·H2O或NaOH在一定温度和pH值下，高速搅拌进行沉淀反应，然后将沉淀洗涤、过滤、干燥、烘干，制得粒度为8-10nm的纳米Fe3O4微粒。采用该法制备Fe3O4纳米

微粒时，沉淀在洗涤、过滤、干燥时易产生团聚现象，为此许多研究者对共沉淀法进行了改进。中国矿业大学的任欢鱼[16]采用乙醇-水作为溶剂制备的纳米Fe3O4不易发生团聚。由于乙醇-水溶液有较高的介电常数，增加了初始颗粒间的静电排斥力，颗粒不容易发生聚集，在陈化过程中，乙醇分子的乙氧基能取代胶团表面的非架桥羟基，减小颗粒间的吸引，从而减轻了粉体的团聚倾向。

2.1.2 氧化沉淀法

所谓氧化沉淀法,即是在碱性条件下向起始悬浮液Fe(OH) 2中通入空气或加入其它氧化剂,将部分Fe2+氧化为Fe3+。其反应式如下:

3Fe2+ + 4OH- + O2 →Fe3O4 + 2H2O（pH > 7 , t > 50 ℃） (2-2) 邓建国等人[17]通过向聚乙二醇和FeSO4·7H2O混合体系中加入质量分数为40%的H2O2作氧化剂,利用此法制备了纳米Fe3O4,经检测其粒径为20～30nm ,且粒径分布均匀。Lai Qiong Yu 等人[18]也通过向Fe(OH)2悬浮液体系中加入质量分数为10 %的H2O2而制得了粒径范围为8～10nm的Fe3O4 磁性纳米微粒。

2.1.3 还原沉淀法

该法的原理就是通过还原剂将部分铁离子还原成亚铁离子, 然后再用碱液将它们沉淀成Fe3O4粒子。陈雷等人[19]采用该法并利用NH2-NH2作还原剂制备了纳米Fe3O4 ,经检测其粒径集中在20～200nm。他们将铁离子与高分子介质聚4-乙烯吡啶均聚物(PVP) 和衣康酸2丙烯酸共聚物(PIAA)在一定条件下进行交联生成配合物并制成薄膜,用NH2-NH2将薄膜还原后, 滴加NaOH调节溶液pH值,升温反应一段时间即得到产物Fe3O4纳米微粒。体系中高分子介质主要是起表面活性剂的作用,它对Fe3O4微粒具有良好的保护和分散作用,有效地防止了微粒之间的聚集。

2.1.4 交流电沉淀法

该法由厦门大学Wang等[20]首次提出，并成功地合成了纳米Fe3O4微粒。它以相同直径的铁丝作为电极，与一个50 Hz交流电源相连。一个电极的一端固定在1mol/ L NaCl或KCl 电解液中，另一个电极的末端与电解液周期性瞬间接触，电弧强烈交流放电过程中产生的大量的热，使铁丝熔化，并形成黑色沉淀。经过滤、蒸馏水和无水乙醇洗涤，然后在真空下50℃干燥12h，制成纳米Fe3O4微粒。此方法最大的特点是容易控制产物的形貌，可制得具有与常规方法不同形貌的纳米粒子。

2.1.5 超声沉淀法

频率超声波所产生的“超声波汽化泡”爆炸时释放出巨大的能量，产生局部的高温高压环境和具有强烈冲击力的微射流，该方法与传统搅拌技术相比，更容易实现介质均匀混合，消除局部浓度不均，提高反应速度，刺激新相的形成，而且对团聚还可以起到剪切作用，有利于微小颗粒的形成。超声波技术的应用对体系的性质没有特殊的要求，只要有传输能量的液体介质即可。对各种反应介质都有很强的通用性。如Vijayakµmar R[21]等在0.15MPa Ar气环境下，25℃时，用高强度超声波的辐射，从乙酸铁水溶液中制得粒径为10nm的纳米Fe3O4颗粒，XRD、TEM 、Mossbauer谱表明该法所得纳米Fe3O4颗粒是超顺磁性的，在室温下它的磁化强度很低(1.25 emu/ g)。

2.1.6 络合物分解法[ 22 ]

其原理是金属离子与适当的配体形成常温稳定的络合物。在适宜温度和pH值时，络合物被破坏，金属离子重新释放出来，与溶液中的OH-及外加沉淀剂、氧化剂作用生成不同价