氧化鐵納米球、納米棒和納米帶的可控合成

焦 華

(渭南師范學(xué)院化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院，陜西渭南714000)

氧化鐵納米球、納米棒和納米帶的可控合成

焦 華

(渭南師范學(xué)院化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院，陜西渭南714000)

通過(guò)Fe與C4H4O6Na2溶液在140—220℃水熱反應(yīng)12h，可控合成了α-Fe2O3納米材料.通過(guò)控制C4H4O6Na2的加入量可控合成了納米球、納米棒和納米帶等納米結(jié)構(gòu)單元.采用X射線衍射儀和掃描電鏡對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行表征.結(jié)果表明，在140—220℃反應(yīng)得到的產(chǎn)物純凈，沒(méi)有任何雜質(zhì)峰，均為菱方相結(jié)構(gòu).

水熱法;納米球;納米棒;納米帶

0 引言

氧化鐵具有良好的耐候性、耐光性、磁學(xué)性能以及良好的紫外線吸收和屏蔽特性，在涂料、油墨、催化劑以及生物醫(yī)學(xué)工程等方面有著廣泛的應(yīng)用，關(guān)于氧化鐵各種材料的可控合成與其物理化學(xué)性能的研究具有非常重要的科學(xué)意義.納米氧化鐵由于具有納米材料的量子尺寸效應(yīng)、表面和界面效應(yīng)等，使其具有不同于塊體材料的物理和化學(xué)性能，這些物理化學(xué)性能是由納米材料的尺寸和形貌決定，同時(shí)利用各種不同形貌的納米結(jié)構(gòu)單元可以來(lái)構(gòu)建納米器件［1］.目前，人們已采用各種物理化學(xué)方法制備出了α-Fe2O3納米管［2－3］、納米線［4］、納米帶［5］、納米片［6］、納米棒［7］、納米顆粒［8－10］等納米結(jié)構(gòu)單元.目前，在可控合成氧化鐵納米球、納米棒和納米帶等方面的系列方面研究的報(bào)道較少.

本文提出利用簡(jiǎn)單的水熱法通過(guò)單質(zhì)的Fe絲與C4H4O6Na2溶液在140—220℃水熱反應(yīng)12h，可控合成了α-Fe2O3球狀、棒狀和帶狀結(jié)構(gòu)單元，研究C4H4O6Na2溶液濃度和反應(yīng)溫度對(duì)產(chǎn)物形貌的影響，該方法的原料易得，可以利用廢棄的鐵絲下角料為原料，為氧化鐵的可控合成提供了新的思路和方法.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 氧化鐵納米材料的制備

取一段2—3cm的鐵絲，經(jīng)過(guò)打磨，超聲處理10min后，置于盛有10mL，1mol/L(10mmol)C4H4O6Na2(酒石酸鈉)溶液的反應(yīng)釜中，密封后將反應(yīng)釜置于馬弗爐中，在140—220℃下保溫12h，然后自然冷卻至室溫，離心，淋洗，在真空中干燥，最終得到產(chǎn)物.

1.2 產(chǎn)物的表征

采用X射線衍射儀(XRD)、掃描電鏡(SEM)對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行了分析表征.XRD使用的是日本理學(xué)公司的D/MAX－ⅢC全自動(dòng)X射線衍射儀，測(cè)試條件為Cu Kα輻射，最大管電壓60kV，最大管電流80mA，掃描速度8°/min.SEM采用的是荷蘭FEI公司的Quanta 200型環(huán)境掃描電鏡.

2 結(jié)果與討論

2.1 不同反應(yīng)溫度所得產(chǎn)物的SEM圖

對(duì)不同反應(yīng)溫度下得到的產(chǎn)物進(jìn)行了掃描電鏡分析，結(jié)果見(jiàn)圖1.從圖1(a)可見(jiàn)，當(dāng)反應(yīng)溫度為140℃時(shí)，所得產(chǎn)物主要為球狀，平均尺寸為1.0μm.當(dāng)反應(yīng)溫度為200℃時(shí)，產(chǎn)物由球形轉(zhuǎn)變?yōu)椴痪鶆虻那驙罱Y(jié)構(gòu)，尺寸約為0.5—1.0μm［圖1(b)］.反應(yīng)溫度繼續(xù)升高到220℃時(shí)，鐵絲表面腐蝕比較厲害，觀察到的形貌主要為無(wú)規(guī)則的塊體結(jié)構(gòu)，但是下層得到許多沉淀，該沉淀的形貌為均勻的球形顆粒，其尺寸約為0.8—1.0μm［圖1(c－d)］.以上結(jié)果可知，隨著反應(yīng)溫度的不斷增加，產(chǎn)物的形貌由較大尺寸的球形轉(zhuǎn)變?yōu)槌叽绶植挤秶^寬的球形顆粒.原因可能是溫度的升高，使得反應(yīng)環(huán)境變得更加劇烈，所以對(duì)鐵絲的腐蝕更加嚴(yán)重，使得表面得到的球形顆粒被腐蝕沉淀下來(lái).

圖1 不同反應(yīng)溫度下保溫12h所得鐵絲上產(chǎn)物的SEM圖

2.2 不同反應(yīng)溫度所得產(chǎn)物的XRD圖

對(duì)不同反應(yīng)溫度下得到的產(chǎn)物進(jìn)行了X射線衍射分析，結(jié)果見(jiàn)圖2.圖中的九個(gè)峰分別對(duì)應(yīng)菱方相Fe2O3的(012)，(104)，(110)，(113)，(024)，(116)，(018)，(214)和(300)面的衍射峰 (JCPDS 卡片:33－0664).說(shuō)明不同反應(yīng)溫度下制備的產(chǎn)物均為純的菱方相Fe2O3.由圖可以看出，衍射峰隨反應(yīng)溫度的升高峰強(qiáng)略有增加，沒(méi)有出現(xiàn)其他的雜質(zhì)峰，說(shuō)明產(chǎn)物純凈，結(jié)晶良好.

圖2 不同反應(yīng)溫度下保溫12h所得鐵絲上產(chǎn)物的XRD圖

2.3 不同反應(yīng)濃度所得產(chǎn)物的SEM圖

改變C4H4O6Na2溶液的濃度為5mL，1mol/L(5mmol)，分別在140℃、200℃、220℃下保溫12h，對(duì)所制備的產(chǎn)物進(jìn)行SEM分析，結(jié)果見(jiàn)圖3.從圖3(a－b)可見(jiàn)，當(dāng)反應(yīng)溫度為140℃時(shí)，所得產(chǎn)物主要為棒狀，直徑約為2.0—3.0μm，長(zhǎng)約為10.0—20.0μm.當(dāng)反應(yīng)溫度為200℃時(shí)，產(chǎn)物由棒狀轉(zhuǎn)變?yōu)閹罱Y(jié)構(gòu)，其寬約為0.2—0.3μm，長(zhǎng)約為5.0—6.0μm，同時(shí)還有許多小顆粒生長(zhǎng)在帶狀結(jié)構(gòu)的表面［圖3(c－d)］.反應(yīng)溫度繼續(xù)升高到220℃時(shí)，帶狀結(jié)構(gòu)消失完全轉(zhuǎn)化為均勻的小顆粒，其平均尺寸約為0.5μm［圖3(ef)］.以上結(jié)果說(shuō)明，當(dāng)C4H4O6Na2溶液的濃度為5mL，1mol/L(5mmol)時(shí)，隨著反應(yīng)溫度的不斷增加，產(chǎn)物的形貌由大尺寸的棒狀球形轉(zhuǎn)變?yōu)閹?，最后再由帶狀最后轉(zhuǎn)變?yōu)槌叽缇鶆虻男☆w粒.原因可能是由于溫度的升高，使得水熱的高溫高壓環(huán)境更加劇烈，所以低溫時(shí)得到的大尺寸棒狀被腐蝕，變薄，成為帶狀，而繼續(xù)升溫又加劇了腐蝕環(huán)境，所以帶狀轉(zhuǎn)變?yōu)樾☆w粒.

圖3 C4H4O6Na2溶液的濃度為5mmol/L時(shí)，在不同反應(yīng)溫度下保溫12h所得鐵絲上產(chǎn)物的SEM圖

2.4 反應(yīng)機(jī)理的探討

上述實(shí)驗(yàn)說(shuō)明，F(xiàn)e與C4H4O6Na2生成了α-Fe2O3.反應(yīng)過(guò)程可能為:Fe與C4H4O6Na2水溶液中反應(yīng)生成C4H4O6Na2［反應(yīng)(1)］，再在溶液中電離出的Fe2+［反應(yīng)(2)］，F(xiàn)e2+與溶液［反應(yīng)(1)］中OH－和反應(yīng)釜中的O2反應(yīng)生成氫氧化鐵沉淀［反應(yīng)(3)］.最后，F(xiàn)e(OH)3在高溫中分解得到α-Fe2O3納米晶.

其反應(yīng)為:

由于在高溫高壓下反應(yīng)(4)發(fā)生，使得可逆反應(yīng)(1)(2)(3)向右移動(dòng)，最終生成Fe2O3.

3 結(jié)論

通過(guò)Fe絲與酒石酸鈉溶液的水熱反應(yīng)，制備出菱方相結(jié)構(gòu)的α-Fe2O3，通過(guò)反應(yīng)溫度和酒石酸鈉溶液濃度的改變制備出納米帶、納米球和納米棒.該方法不使用任何軟、硬模板，而是通過(guò)Fe絲與酒石酸鈉的簡(jiǎn)單水熱反應(yīng)，改變反應(yīng)物濃度和反應(yīng)溫度而實(shí)現(xiàn)對(duì)α-Fe2O3納米結(jié)構(gòu)單元的控制.依此原理可望制備出其他氧化物的納米結(jié)構(gòu)單元.所合成的α-Fe2O3在催化和傳感等領(lǐng)域具廣泛的潛在應(yīng)用價(jià)值.

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Controllable Synthesis of Iron Oxide Nanospheres，Nanorods and Nanobelts

JIAO Hua
(School of Chemistry and Life Science，Weinan Normal University，Weinan 714000，China)

α-Fe2O3nanomaterials were controlled synthesis by Fe and C4H4O6Na2solution at 140—220℃ hydrothermal reaction of 12h.Nanospheres，nanorods and nanobelts were synthesis by controlling the amount of C4H4O6Na2.The product was characterized via X-ray diffraction and scanning electron microscopy.The results show that the product obtained at 140—220℃ were pure rhombohedral structure.

Hydrothermal;nanospheres;nanorods;nanobelts

O614

A

1009—5128(2012)06—0064—04

2011—11—22

陜西省教育廳科研計(jì)劃項(xiàng)目(12JK0435)

焦華(1982—)，女，陜西三原人，渭南師范學(xué)院化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院講師，工學(xué)碩士.研究方向:納米材料的制備與應(yīng)用.

【責(zé)任編輯 曹 靜】