超順磁性納米粒子的研究*

姜孌

(寶雞文理學(xué)院應(yīng)用化學(xué)研究所，陜西 寶雞，721013)

超順磁性納米粒子的研究*

姜孌

(寶雞文理學(xué)院應(yīng)用化學(xué)研究所，陜西 寶雞，721013)

近年來，超順磁性納米粒子以其獨(dú)特的磁響應(yīng)性和良好的生物相容性，越來越引起科學(xué)工作者的重視，本文專門對(duì)超順磁性納米粒子的制備加以論述，分別介紹沉淀法、溶膠－凝膠法、微乳液和反相微乳液法、水熱法、多元醇還原法、化學(xué)氣相沉積法、化學(xué)氣相凝聚法、等離子蒸發(fā)法、機(jī)械球磨法、蒸發(fā)冷凝法和磁控濺射方法等合成磁性納米粒子的方法及特點(diǎn)，概述了磁性納米粒子的表征方法，對(duì)納米磁性粒子的研究前景進(jìn)行了展望。

超順磁性納米粒子;制備;表征

1978年由Senyei A E首先研制出來的一種新型的功能材料——磁性微球。磁性微球從誕生開始，就受到了科研工作者的關(guān)注，它在磁性材料、生物醫(yī)學(xué)、細(xì)胞學(xué)和生物工程、分離工程，以及隱身技術(shù)、化妝品等諸多領(lǐng)域獲得了一定程度的應(yīng)用，并顯示出廣泛的應(yīng)用前景［l－3］。而作為磁性微球的關(guān)鍵組成部分，磁性納米粒子作為一種新材料，由于其獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)，如量子尺寸效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)和表面與界面效應(yīng)等［4］，使其在物理、化學(xué)等方面表現(xiàn)出與常規(guī)磁性材料不同的特殊性質(zhì)［5］。近年來，超順磁性納米粒子在磁記錄材料、磁流體、催化、醫(yī)藥和顏料等方面的廣泛應(yīng)用，引起了人們的廣泛關(guān)注。而在實(shí)際應(yīng)用中，納米顆粒的生長、團(tuán)聚會(huì)使納米磁性顆粒的特殊性能減弱，而且一些應(yīng)用要求納米材料做成薄膜，因此關(guān)于磁性納米顆粒的制備方法的研究就顯得尤為重要了。

1 超順磁性納米粒子制備基本方法

常見的磁性納米粒子材料有Fe、Co、Ni金屬合金，氧化鐵(γ－ Fe2O3，F(xiàn)e3O4)，鐵氧體(CoFe2O4，BaFe12O19)和CrO2等，目前被研究最多且應(yīng)用最廣泛的是Fe3O4，它一般在水溶液中采用共沉淀或氧化共沉淀法制備，可以調(diào)節(jié)反應(yīng)條件對(duì)其粒度、形狀和組成進(jìn)行控制［6］。磁性納米粒子制備方法主要應(yīng)用的有液相反應(yīng)法、化學(xué)氣相法和物理方法等。

1.1 液相反應(yīng)法

1.1.1 沉淀法

共沉淀法是將鐵鹽和亞鐵鹽(或加入一定比例的其它過渡金屬鹽)按一定比例配成溶液，選用適當(dāng)?shù)膲A性沉淀劑(如NaOH、NH3·H2O等)進(jìn)行共沉淀，通過控制工藝條件，可得性能優(yōu)良的磁性微粒。如磁性Fe3O4反應(yīng)式:這種方法可以分為兩種，一種是Massart水解法，即將摩爾比為2∶1的三價(jià)鐵鹽(Fe3+)與二價(jià)鐵鹽(Fe2+)混合溶液直接加入到強(qiáng)堿性的水溶液中，鐵鹽在強(qiáng)堿性水溶液中瞬間水解結(jié)晶形成四氧化三鐵納米晶體。另一種是滴定水解法。該方法是將稀堿溶液滴加到摩爾比為2:1的三價(jià)鐵鹽(Fe3+)與二價(jià)鐵鹽(Fe2+)混合溶液中，使鐵鹽溶液的pH值逐步升高，達(dá)到6－7時(shí)，水解生成Fe3O4納米晶體。利用這種方法可以制備CrxFe3－xO4、γ－Fe2O3和Fe3O4。該方法的特點(diǎn)是:1)簡(jiǎn)捷，而且通過向沉淀混合液中加入有機(jī)分散劑或絡(luò)合劑，可提高粒子的分散性，使粒子具有相當(dāng)好的穩(wěn)定性，克服了易團(tuán)聚的缺點(diǎn);2)制得的粒子純度高、粒徑小、粒度分布窄。由滴定水解法制得的Fe3O4納米粒子為球形結(jié)構(gòu)，粒徑分布比較窄。而由Massart水解法得到的Fe3O4納米粒子的外形不很規(guī)則，且粒徑分布比較寬。林本蘭等［7］采用液相共沉淀法制備了納米級(jí)四氧化三鐵顆粒，通過X－Ray譜圖證實(shí)了該粒子的組成結(jié)構(gòu)，通過能譜圖(EDS)研究表明樣品中含有氯元素，從而有效防止納米粒子團(tuán)聚，提高其分散效果。通過TEM研究表明，由該法所制得的四氧化三鐵粒子主要為球形，粒徑分布均勻，平均粒徑在10nm左右。

1.1.2 溶膠－ 凝膠(Sol－Gel)法

向金屬醇鹽或無機(jī)鹽溶液中加入溶劑、催化劑、螯合劑等，經(jīng)水解直接形成無流動(dòng)性的溶膠或經(jīng)解凝形成溶膠，再于一定的條件下轉(zhuǎn)變?yōu)榫荒z，然后將凝膠干燥、焙燒，去除有機(jī)成分，最后得到納米粒子。這種方法可以應(yīng)用于LiMn2O4、Fe65Ni35、Fe65Ni31Co4、Co1－xFe2+xO4及 γ－ Fe2O3。該方法特點(diǎn)是:反應(yīng)溫度低，可獲得粒徑很小的納米粒子、粒徑分布窄，晶型和粒度可控。賈燕燕等［8］以二價(jià)鐵鹽為原料，利用環(huán)氧化物的膠凝或沉淀作用，以乙醇或水作為反應(yīng)介質(zhì)，在較低的溫度下制備Fe3O4納米粒子。表征結(jié)果表明，以H2O為溶劑可得到粒徑在25～83 nm之間粒度分布較寬的Fe3O4納米顆粒，而以乙醇為介質(zhì)時(shí)，可得到粒度分布窄近單分散Fe3O4納米粒子。該路線反應(yīng)條件溫和、工藝簡(jiǎn)單、原料價(jià)廉和易于規(guī)?；苽洌哂泄I(yè)化前景。

1.1.3 微乳液和反相微乳液法

在合成磁性納米鐵及鐵系金屬和化合物方面得到了廣泛的應(yīng)用。微乳液法是將金屬鹽和一定的沉淀劑形成微乳狀液，在較小的微區(qū)內(nèi)控制膠粒成核和生長，經(jīng)過熱處理后得到納米粒子。該方法適應(yīng)于α－Fe、鐵納米粒子。過渡金屬(Fe、Co、Ni)－類金屬(B、P)非晶態(tài)合金納米粒子以及鋇鐵氧體。該法特點(diǎn)是可以通過調(diào)整微乳液的組成和結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)粒子尺寸、形態(tài)、結(jié)構(gòu)乃至物性的人為調(diào)控，制得的粒子分散性好。另外該方法還具有實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)單、操作方便、能耗低、應(yīng)用領(lǐng)域廣等優(yōu)點(diǎn)。周孫英等［9］利用該微乳液的微型水池制備了納米級(jí)Fe3O4黑色顆粒，優(yōu)化各反應(yīng)物量的比例，通過掃描電鏡圖顯示實(shí)驗(yàn)結(jié)果的Fe3O4粒徑＜100 nm。

1.1.4 水熱法

利用水熱反應(yīng)合成物質(zhì)，再經(jīng)分離和熱處理制備納米粒子的一種方法。近來，發(fā)展的新技術(shù)主要有1)微波水熱法;2)超臨界水熱合成;3)反應(yīng)電極埋弧法。該方法的特點(diǎn)具有粒子純度高、分散性好、晶形好、大小可控、晶粒發(fā)育完整、可使用較為便宜的原料、易得到合適的化學(xué)計(jì)量物等優(yōu)點(diǎn)。柴多里［10］等通過水熱法制備了納米四氧化三鐵，采用X射線衍射儀、透射電子顯微鏡對(duì)其進(jìn)行了表征。并以合成的納米四氧化三鐵為催化劑，催化氧化含鄰苯二酚的模擬廢水和含鄰甲苯酚的工業(yè)廢水。結(jié)果表明:含鄰苯二酚模擬廢水和含鄰甲苯酚的工業(yè)廢水的揮發(fā)酚去除率分別為99.9%和99.3%，化學(xué)需氧量下降率分別為87.5%和95.4%。全桂英等［11］以硝酸鐵、草酸為原料，采用水熱反應(yīng)法合成球形α－Fe2O3納米顆粒。利用X射線衍射儀(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)產(chǎn)物的物相和形貌進(jìn)行表征，結(jié)果表明:水熱反應(yīng)溫度的提高有利于 α－Fe2O3晶體顆粒的晶化，并使其粒徑分布均勻，形貌趨向于球形。

1.1.5 多元醇還原法

應(yīng)用高溫液相還原法(200℃)，通過調(diào)節(jié)兩種不同表面活性劑的含量，制備出粒徑均勻、尺寸分布在1－5 nm的鈷磁性納米粒子。例如利用羰基鐵和乙酰丙酮合鉑在高溫液相中的還原反應(yīng)可以制取直徑為4 nm的FePt磁性納米粒子，在表面活性劑的保護(hù)下粒子呈現(xiàn)單分散狀態(tài)。該方法特點(diǎn)是，粒子高度分散、粒徑單一性好、粒徑分布較窄。劉飚等［12］采用多元醇還原工藝和自組裝技術(shù)，經(jīng)過表面反應(yīng)和液相成核、生長，實(shí)現(xiàn)了納米Co粉在微米Fe顆粒表面的還原和自組裝，制備了一種具有核殼結(jié)構(gòu)的復(fù)合磁性微球。用該法制備的核殼結(jié)構(gòu)Fe/Co復(fù)合材料表面包覆致密，可以作為微波吸收劑，從而改善了傳統(tǒng)羰基鐵粉易氧化、耐酸堿性能差、介電常數(shù)較大和低頻段吸收性能差等缺點(diǎn)。另外，用多元醇可同時(shí)還原溶液中的多種金屬離子，是一種很好的制備金屬合金方法，如制備 FePt［13］、PtSn［14］等合金。

1.2 化學(xué)氣相法

1.2.1 化學(xué)氣相沉積法(CVD)

以揮發(fā)性的金屬氫化物、鹵化物或金屬有機(jī)物為原料，通過熱源、電子束、激光氣化或誘導(dǎo)蒸發(fā)成氣相，或用適當(dāng)?shù)臍怏w(高純He)作載體，在氣相中進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，在液氮冷卻的襯底上沉積，形成所需要的材料。如用金屬氯化物與氧氣或水蒸汽反應(yīng)可制取α－Fe2O3納米粒子。以FeCP2－O2－Ar為物源體系制取α－Fe2O3粒子。以含F(xiàn)e，Co的SiO2氣凝膠為催化劑，合成了碳包覆鐵鈷磁性納米粒子。該方法的特點(diǎn)是設(shè)備簡(jiǎn)單，反應(yīng)條件易控制，產(chǎn)物易精制，只要控制反應(yīng)氣體和氣體的稀薄程度就可得到少團(tuán)聚或不團(tuán)聚的超細(xì)粉末，顆粒分散性好、粒徑小、分布窄，能連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)，且能耗少，已有部分材料形成工業(yè)化生產(chǎn)。曹茂盛等［15］采用化學(xué)氣相沉積法制備出了Fe納米粉末。反應(yīng)前，先將固態(tài)粉料(FeCl2·H2O)放入管狀反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行真空干燥，然后使粉料在高溫下蒸發(fā)，同時(shí)，通入載氣(氮?dú)?將原料氣體送至高溫反應(yīng)區(qū)。在反應(yīng)區(qū)，原料氣、還原氣(氫氣)及保護(hù)氣體一起混合，F(xiàn)e粒子瞬間成核。成核后的粒子由真空泵抽運(yùn)迅速脫離反應(yīng)區(qū)，隨載氣到達(dá)粒子收集器，從而得到了均勻、高純、球狀、單相的Fe納米粒子。

1.2.2 化學(xué)氣相凝聚法(CVC)

利用高純惰性氣體作為載氣，攜帶金屬有機(jī)前驅(qū)物進(jìn)入高溫低壓爐，前驅(qū)物熱解形成團(tuán)簇，進(jìn)而獲得納米粒子。利用該方法可以得到粒徑在5－13 nm的Fe、Co和Fe－Co的粒子。不同成分和性能的Co－Pt合金粒子，粒子內(nèi)層為金屬合金，外層為Fe2O3、CoFe2O4或Co3O4之類的氧化物。該方法特點(diǎn)是，原料精煉容易、產(chǎn)物純度高、分散性好、粒度分布窄。由于可以利用的金屬有機(jī)前驅(qū)物的范圍很廣，能夠用該方法制備的磁性納米粒子的種類很多，并且粒子性能較好。南韓機(jī)械與材料學(xué)院和中國沈陽工業(yè)大學(xué)的研究人員［16］利用CVC法由有機(jī)金屬原料五碳基鐵合成了納米鐵粉粒，并研究了這種納米鐵粉粒的微觀結(jié)構(gòu)和磁性能。

1.2.3 等離子蒸發(fā)法

由載氣攜帶的原料進(jìn)入等離子室，經(jīng)過高頻磁場(chǎng)電離氣體所產(chǎn)生的等離子體加熱，反應(yīng)生成納米粒子。該方法可制備Fe－Co、Fe－Ni、Co－Ni和 Fe－Co－Ni合金磁性納米粒子。該方法所制備磁性納米粒子的純度較高、成分可控、粒度分布窄、磁性能良好、可制備納米粒子的種類多。這類方法現(xiàn)在出現(xiàn)了多種方法結(jié)合使用的趨勢(shì)。將兩種或者兩種以上的傳統(tǒng)方法相結(jié)合，或?qū)鹘y(tǒng)方法與新方法結(jié)合制備磁性納米粒子的研究也取得了一定進(jìn)展。主要克服單一應(yīng)用一種方法制備納米粒子時(shí)易團(tuán)聚等缺點(diǎn)。天津大學(xué)秦伯雄等［17］利用等離子體技術(shù)來制備納米鐵粉，基本原理如下:在真空容器中，充給定壓氣，利用高溫?zé)嵩串a(chǎn)生等離子體，將純鐵工件加熱、熔化。高溫下鐵迅速蒸發(fā)，同時(shí)等離子體又與熔化金屬發(fā)生物化反應(yīng)，促使鐵水蒸發(fā)。鐵蒸氣經(jīng)循環(huán)泵輸送到集粉器中冷凝、沉積，再經(jīng)穩(wěn)定化處理后，即可獲得納米鐵粉。

1.3 物理方法

1.3.1 機(jī)械球磨法

機(jī)械球磨法是在球磨機(jī)中加入粒度為幾十微米的Fe3O4粗顆粒，通過鋼球之間或鋼球與研磨罐內(nèi)壁之間的撞擊，使Fe3O4產(chǎn)生強(qiáng)烈的塑性變形并破碎，進(jìn)而粗顆粒細(xì)化，直到形成納米顆粒。機(jī)械球磨法制備納米材料重現(xiàn)性好，操作簡(jiǎn)單，但生產(chǎn)周期長，粒徑細(xì)化難以達(dá)到納米級(jí)要求［18］。英廷照等［19］采用QFI型行星球磨機(jī)，以水或油類作為分散介質(zhì)，油酸作為表面活性劑，通過球磨得到幾十納米左右的Fe3O4納米顆粒。但由于強(qiáng)烈的塑性變形，會(huì)造成Fe3O4顆粒晶粒有較大的晶格畸變。

1.3.2 蒸發(fā)冷凝法

用真空蒸發(fā)、激光加熱、電弧高頻感應(yīng)、微波輻射、γ射線輻射等法使原料氣化或形成等離子體，然后驟冷使之凝聚。如采用激光作為光熱源誘導(dǎo)Fe(CO)5的氣相熱解成功地制備出了各種Fe系納米粒子(可達(dá)公斤級(jí)/日)，如 Fe/C、Fe/O、Fe/N、Fe/C、Fe/Si等納米粒子。該方法制備的粒子具有純度高、結(jié)晶組織好、粒度分布均勻且可控等優(yōu)點(diǎn)，并采用磁場(chǎng)、電場(chǎng)和濾膜等捕集手段較好地解決了納米粒子的收集難題，但是設(shè)備要求高。

1.3.3 磁控濺射方法

以不同靶材作為濺射源，采用輪流濺射方式在水冷基底上制得具有多層結(jié)構(gòu)的非晶薄膜，并能精確控制合金成分。至今采用磁控濺射方法已研究的Fe基、Co基納米磁性顆粒膜兩大系列中，Co基納米顆粒膜的磁特性更優(yōu)良。實(shí)驗(yàn)表明，薄膜在濺射態(tài)為非晶組織，經(jīng)過時(shí)效處理后，基體和夾層結(jié)構(gòu)的合金成分均開始晶化，得到均勻分布在基底上的磁性納米粒子。

2 磁性納米粒子的表征方法

磁性納米粒子的形貌、結(jié)構(gòu)和尺寸大小可以通過掃描電子顯微鏡(SEM)、透射電子顯微鏡、傅立葉紅外變換法(FTIR)、X射線衍射儀(XRD)來表征;用熱重分析法(TG)、差熱分析法(DTA)測(cè)定粉體的熱穩(wěn)定性能;用激光粒度分析測(cè)定粉體的團(tuán)聚尺寸以及粒度分布;采用超導(dǎo)量子干涉儀進(jìn)行樣品磁學(xué)性能的分析;用光子相關(guān)譜儀分析不同油粒子數(shù)比下所得到的不同粒徑納米粒子以及包覆前后粒子粒徑分布及變化［20］。

3 結(jié)語

磁性納米粒子的制備方法很多，并不斷地被改進(jìn)和發(fā)展。每種方法都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，因此，選擇合適的改性劑，開發(fā)粒子分散性、穩(wěn)定性好和尺寸均勻可控的磁性納米粒子的制備方法仍將是今后研究的重點(diǎn)。

近年來發(fā)展起來的磁性納米粒子除了具有一般納米粒子的獨(dú)特效應(yīng)之外，還具有優(yōu)異的磁學(xué)性能和廣闊的應(yīng)用前景。將磁性粒子應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域時(shí)，還應(yīng)該考慮以下問題:(1)合適的粒徑和窄范圍粒徑分布。具有良好的順磁性粒子必然要求合適的粒徑，過大的粒徑將失去順磁性，過小的粒徑易于發(fā)生非特異性吸附。因此，在制備磁性粒子時(shí)，控制合適的粒徑是必要的。由于粒徑不同其物理化學(xué)性質(zhì)有一定差異，這種差異使得磁性粒子給后期獲取均一性功能化磁性微球材料帶來一定的影響。同時(shí)，也由于這種粒徑上的差異性使得其在應(yīng)用體系中表現(xiàn)出性能上的復(fù)雜性和不確定性。(2)使磁性納米粒子的磁性能更高，并提高顆粒的飽和磁化強(qiáng)度等，這對(duì)于促進(jìn)磁性納米粒子在不同領(lǐng)域的應(yīng)用將有著重要的意義。

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Progress in Nano-superparamagnetism Particles

JIANG Luan
(Department of Chemistry and Chemical Engineering，Baoji University of Arts and Science，Baoji 721013，Shanxi，China)

In recent years，superparamagnetic nanoparticles for its unique magnetic response and biocompatibility，has drawn increasing attention of scientists.In this paper，some items about nano－magnetic particles were introduced.Firstly，the preparation methods including precipitation，sol－ gel，microemulsion and reverse microemulsion method，hydrothermal method，polyol reduction method，chemical vapor deposition，chemical vapor condensation，plasma evaporation method，mechanical milling，evaporation condensation method，magnetron sputtering shooting methods and characteristics of nano-magnetic particles were introduced.Secondly，the characterization of nano-magnetic particles was described.Finally，the research prospect of nano-magnetic particles was presented.

nano-superparamagnetism particles;preparation;characterization

TQ 584

2011－05－05

陜西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目(09JS068);寶雞文理學(xué)院科研資助項(xiàng)目(ZK1020)