室溫固相法制備納米Fe2O3

王桂萍，周建輝

(1.沈陽理工大學(xué)裝備工程學(xué)院，遼寧沈陽110159;2.山西北方興安化學(xué)工業(yè)有限公司，山西太原030003)

納米氧化鐵具有良好的耐候性、耐光性和磁性，對紫外線具有良好的吸收和屏蔽效應(yīng)，可應(yīng)用于閃光涂料、油墨、塑料、皮革、汽車面漆、電子、高磁記錄材料、催化劑及生物醫(yī)學(xué)工程方面［1］，在含能材料的應(yīng)用方面研究也很多［2］。目前，納米氧化鐵的制備方法很多［3］，總體上可分為液相法、固相法和氣相法［4-8］。為適于工業(yè)化生產(chǎn)，研究降低納米氧化鐵的制備成本、解決粒子團聚問題、制備出粒徑均勻可控的納米氧化鐵顆粒的方法，具有重要意義。近年發(fā)展起來的室溫固相法合成工藝簡單［9-10］，成本低，并克服了由于中間步驟及高溫反應(yīng)所引起的諸如粒子團聚、晶化時間長、產(chǎn)物不純、產(chǎn)率低等弊端，而且不使用溶劑、污染少、節(jié)省能源，為納米粒子的合成提供了一種簡易的新方法。本文研究納米氧化鐵的室溫固相法的制備。

1 實驗部分

1.1 納米Fe2O3的制備

稱量10.004g(0.036mol)FeSO4·7H2O放入研缽中，將其研磨成粉末后，再加入過量的NH4HCO3(6.802g(0.086mol))于研缽中，然后加入100mL表面活性劑OP-10做分散劑，在室溫下研磨;研磨一段時間，反應(yīng)物呈現(xiàn)紅色油狀，呈翻涌狀;研磨完成后，向研缽中加入去離子水并抽濾，然后用大量去離子水洗滌沉淀至無SO2-4(用BaCl2檢驗濾液)。抽干沉淀物，用無水乙醇淋洗沉淀物2次，再將沉淀物抽干，得到深棕色沉淀;將沉淀物置于60℃的烘箱中干燥2h，在烘干過程中深棕色沉淀物逐漸變黃，最后得到黃色塊狀物，將黃色塊狀物研磨即得黃色粉末前驅(qū)物。將前驅(qū)物在馬弗爐中灼燒2h制得產(chǎn)物納米氧化鐵。

1.2 納米Fe2O3的表征

利用日本株式會社理學(xué)北京事務(wù)所生產(chǎn)的Rigaku Ultima IV型X射線衍射儀進行XRD表征。測試主要參數(shù)為:工作電壓40kV，工作電流40mA;步長掃描，步長 0.02°;掃描范圍10～80°(2θ);采用Cu靶 Kα 輻射(λ =1.54056?)。測得數(shù)據(jù)利用Jade5.0衍射數(shù)據(jù)分析軟件分析。利用NITACHI公司S-3400N型電子掃描顯微鏡對實驗所得鐵氧化物的微觀形貌進行分析。放大倍數(shù)5～30萬倍，工作電壓20kV，分辨率3nm，工作距離10mm。

2 結(jié)果與討論

2.1 研磨時間的影響

將 2 份 10.004g(0.036mol)FeSO4·7H2O，6.802g(0.086mol)NH4HCO3在100mL表面活性劑OP-10中分別研磨40min和90min，制得干燥的前驅(qū)物分別為2.17g和2.88g。研磨40min時反應(yīng)物FeSO4·7H2O并沒有完全反應(yīng)，此時，加去離子水抽濾的濾液為墨綠色，說明還有亞鐵離子沒有反應(yīng)。研磨1h后，靜置2min溶液變?yōu)槌吻?，表明此時亞鐵離子反應(yīng)完全，沒有沉淀繼續(xù)產(chǎn)生。研磨90min，加去離子水抽濾的濾液為無色，最終得到干燥的前驅(qū)物2.88g，此前驅(qū)物主要是氧化鐵及其水合物，表明FeSO4·7H2O的轉(zhuǎn)化率較高。

圖1 不同研磨時間終產(chǎn)物的SEM照片

不同研磨時間得到的前驅(qū)物在800℃灼燒2h，產(chǎn)物的SEM照片和XRD圖見圖1和圖2。由圖1可見，制得的兩種粒子均為橢圓形，且分散性都很好;由圖2可知，對比α-Fe2O3的標(biāo)準(zhǔn)衍射峰可確定這兩種產(chǎn)物均為純α-Fe2O3，根據(jù)樣品的XRD衍射圖使用軟件Jade5.0計算得到顆粒度，研磨40min的產(chǎn)物平均粒徑為23nm，研磨90min的產(chǎn)物平均粒徑為26nm。可見，研磨時間對粒徑影響不大。

2.2 灼燒溫度的影響

將制得的前驅(qū)物分別在300℃，500℃，550℃和800℃灼燒2h，300℃所得產(chǎn)物的 XRD圖和SEM照片見圖3和圖4。由圖3可見，300℃灼燒的產(chǎn)物在2θ=36.5°和2θ=63°處出現(xiàn)了屬于 γ-Fe2O3的主要衍射峰，所以300℃的灼燒產(chǎn)物為γ-Fe2O3，衍射峰較寬，表明樣品結(jié)晶較差且粒徑較小。由圖4可見，樣品的粒徑很小，粒子的分散性不是很好。

圖2 不同研磨時間終產(chǎn)物的XRD圖

圖3 300℃灼燒產(chǎn)物的XRD圖

圖4 300℃灼燒產(chǎn)物的SEM照片

500℃、550℃和800℃灼燒所得產(chǎn)物的XRD圖和SEM照片見圖5圖和6。試驗可見，溫度對納米氧化鐵的顏色有一定影響，隨著灼燒溫度的升高，納米氧化鐵的顏色逐漸變淺。由圖5確定，500℃、550℃和800℃灼燒前驅(qū)物所得產(chǎn)物均為純α-Fe2O3;計算得出，500℃和550℃溫度下的產(chǎn)物的平均粒徑基本相同，為15nm左右;800℃的產(chǎn)物的平均粒徑為25nm左右。由此可看出當(dāng)溫度達(dá)到500℃以后，F(xiàn)e2O3的晶型不再發(fā)生變化，但隨著溫度的升高，粒子的粒徑變大。由圖6可見，不同溫度下燒結(jié)的產(chǎn)物的微觀形貌不同，800℃下燒結(jié)的產(chǎn)物粒子的分散性好于前兩種樣品，當(dāng)燒結(jié)溫度達(dá)到800℃時制備出的納米氧化鐵的磁性減弱，粒徑增大，所以團聚現(xiàn)象減弱。

圖5 不同溫度下灼燒產(chǎn)物的XRD圖

圖6 不同溫度下灼燒產(chǎn)物的SEM照片

3 結(jié)論

(1)以 FeSO4·7H2O和過量的 NH4HCO3為原料，聚乙二醇辛基苯基醚為表面活性劑，通過室溫固相法制備前驅(qū)物，研磨時間越長，則反應(yīng)時間越長，前驅(qū)物的產(chǎn)率越高，研磨90min，硫酸亞鐵完全轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物;研磨時間對產(chǎn)物α-Fe2O3的粒徑有一定影響，隨著研磨時間的延長，納米粒子的粒徑增大。

(2)灼燒溫度對產(chǎn)物的晶型和粒徑有影響。300℃灼燒前驅(qū)體，得到產(chǎn)物為 γ-Fe2O3納米粒子，產(chǎn)物的結(jié)晶性較差;在500℃、550℃、800℃灼燒前驅(qū)物得產(chǎn)物均為α-Fe2O3納米粒子。隨著溫度的升高，納米Fe2O3粒子的粒徑增大。

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