共沉淀-連續(xù)微反應(yīng)法制備Fe3O4納米粒子

(1.深圳航天科技創(chuàng)新研究院深圳市復(fù)合材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州深圳 518057；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)a.化學(xué)工程與技術(shù)博士后流動(dòng)站；b.高分子科學(xué)與工程系，黑龍江哈爾濱 150001)

(1.深圳航天科技創(chuàng)新研究院深圳市復(fù)合材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州深圳 518057；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)a.化學(xué)工程與技術(shù)博士后流動(dòng)站；b.高分子科學(xué)與工程系，黑龍江哈爾濱 150001)

采用共沉淀-連續(xù)微反應(yīng)法制備了Fe3O4納米粒子(1)，其結(jié)構(gòu)和形貌經(jīng)XRD和TEM表征。1具有很好的尖晶石結(jié)構(gòu)，形貌均一，分散性好，尺寸分布窄，粒徑15 nm～20 nm。磁性測(cè)量結(jié)果表明，1具有超順磁性，飽和磁化強(qiáng)度為62.24 emu·g-1。

共沉淀；連續(xù)微反應(yīng)法；Fe3O4納米粒子；制備

納米鐵氧體的制備方法和制備技術(shù)直接決定了納米鐵氧體的性能，從而進(jìn)一步影響到器件的性能和經(jīng)濟(jì)效益。尖晶石型鐵氧體的制備方法主要有機(jī)械球磨法［1-2］、共沉淀法［3-5］、水熱/溶劑熱法［6-7］、溶膠凝膠法［8-9］、回流法［10-11］等。其中，共沉淀法由于其工藝簡(jiǎn)單、適用性強(qiáng)、產(chǎn)物純度高、粒子尺寸小、以及對(duì)設(shè)備、技術(shù)要求不高等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)被廣泛地應(yīng)用于制備鐵氧體磁性納米顆粒。由于反應(yīng)速度快，對(duì)傳質(zhì)混合要求高，而反應(yīng)釜單純的機(jī)械攪拌混合和分散強(qiáng)度低，其強(qiáng)化傳質(zhì)使物料均勻混合的速度遠(yuǎn)低于反應(yīng)速度，攪拌強(qiáng)度也遠(yuǎn)不足以分散已團(tuán)聚的納米顆粒聚集體，致使所制備的納米鐵氧體存在嚴(yán)重的產(chǎn)物顆粒不均勻、尺寸分布寬、團(tuán)聚嚴(yán)重、形貌難以控制等問(wèn)題。

本文在共沉淀法的基礎(chǔ)上發(fā)展了一種共沉淀-連續(xù)微反應(yīng)法，用該法制備了Fe3O4納米粒子(1)，其結(jié)構(gòu)和形貌經(jīng)XRD和TEM表征。1具有很好的尖晶石結(jié)構(gòu)，形貌均一，分散性好，尺寸分布窄，粒徑15 nm～20 nm。磁性測(cè)量結(jié)果表明，1具有超順磁性，飽和磁化強(qiáng)度為62.24 emu·g-1。

為了驗(yàn)證該微反應(yīng)裝置的優(yōu)點(diǎn)，采用相同條件下傳統(tǒng)的共沉淀法制備了Fe3O4納米粒子(1')，其結(jié)構(gòu)和形貌經(jīng)XRD和TEM表征。與常規(guī)共沉淀法比較，采用共沉淀-連續(xù)微反應(yīng)法制備的1具有形貌均一，分散性好，尺寸分布窄等優(yōu)點(diǎn)。1的飽和磁化強(qiáng)度大于1'(41.68 emu·g-1)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

Philip X'Pert PRO SUPER型多晶X-射線衍射儀［Cu-Kα，λ=0.154 178 nm，掃描速度0.02°· s-1，掃描方式θ-2θ連動(dòng)(10°～80°)，電壓40 kV，電流100 mA］；JEOL-2010型透射電子顯微鏡(加速電壓200 kV，樣品用超聲清洗機(jī)超聲分散到無(wú)水乙醇中形成均勻懸浮液，將其滴到涂有非晶碳膜的銅網(wǎng)上，空氣中擱置幾分鐘待溶劑揮發(fā)完全后備用)；BHV-55型振動(dòng)探針式磁強(qiáng)計(jì)。

所用試劑均為分析純。

1.2 制備

(1)1的制備

將Fe(NO3)3·9H2O 24.24 g和 FeSO4· 7H2O 9.17 g用蒸餾水溶解得 3 L溶液 A (Fe2+∶Fe3+=1.1∶2.0)。將25%氨水100 mL和80%N2H4·H2O 50 mL用蒸餾水(2.85 L)稀釋得3 L溶液B。

啟動(dòng)恒流泵，將溶液A和溶液B同時(shí)輸入圖1的微混合器中，快速混合均勻完成成核過(guò)程得到懸浮液；通入晶體生長(zhǎng)槽中于80℃(浴溫)陳化5 h。用磁鐵把黑色固體粉末從溶液中分離，依次用蒸餾水和酒精洗滌數(shù)遍，于40℃真空干燥得黑色固體1。

(2)1'的制備

按1.2(1)方法制備溶液A和溶液B。劇烈攪拌下迅速混合溶液A和溶液B后于80℃(浴溫)陳化5 h。后處理同1.2(1)制得黑色固體1'。

(3)2的制備

分別用CoCl2·6H2O和Fe(NO3)3·9H2O代替Fe(NO3)·9H2O和FeSO4·7H2O，用1.2 (1)方法制備CoFe2O4納米微粒(2)。

圖1 微反應(yīng)裝置示意圖*Figure 1 Schematic diagram of micro-reactor

2 結(jié)果與討論

2.1 表征

(1)XRD

1的XRD圖譜見(jiàn)圖2。對(duì)照標(biāo)準(zhǔn)JPCDS卡，其衍射峰分別對(duì)應(yīng)于具有尖晶石結(jié)構(gòu)的立方晶系鐵氧體 Fe3O4，完全符合標(biāo)準(zhǔn)卡片 JPCDS 16-0629，沒(méi)有其它雜質(zhì)峰，衍射峰峰強(qiáng)，基線平整，說(shuō)明1的結(jié)晶性很好。

圖2 1的XRD譜圖Figure 2 XRD pattern of 1

(2)TEM

圖3為1的TEM照片。從圖3可見(jiàn)，1為納米小球，粒徑在10 nm～20 nm，不團(tuán)聚，分散性好。

圖3 1的TEM照片F(xiàn)igure 3 TEM picture of 1

2.2 與傳統(tǒng)共沉淀法比較分析

1'的TEM照片如圖4所示。與圖3比較可知，1'的分散性較差，粒徑分布不均勻，體現(xiàn)了采用該微反應(yīng)裝置制備的納米粒子的分散性好、粒徑分布窄等優(yōu)點(diǎn)。

與傳統(tǒng)共沉淀法比較，共沉淀-連續(xù)微反應(yīng)法引入一個(gè)微反應(yīng)器，利用微小通道及超強(qiáng)的傳質(zhì)能力，將反應(yīng)過(guò)程中的形核和生長(zhǎng)過(guò)程進(jìn)行分割并加以控制；在微混合器中，幾種反應(yīng)液快速混合并均勻成核。采用該法制備的1分散性好，粒徑分布窄，體現(xiàn)出共沉淀-連續(xù)微反應(yīng)法的優(yōu)越性。

圖4 1'的TEM照片F(xiàn)igure 4 TEM picture of 1'

2.3 制備方法適用性研究

2的XRD譜圖和TEM電鏡照片分別見(jiàn)圖5和圖6。從圖5可見(jiàn)，其衍射峰完全符合JPCDS 22-1086卡片，沒(méi)有其它雜質(zhì)峰。與圖2比較，2的衍射峰強(qiáng)度弱，基線也不平整，說(shuō)明2的結(jié)晶性較差。從圖6看出，2的分散性很好，粒徑約為10 nm，但是粒子的邊緣較不清楚，說(shuō)明結(jié)晶性不好，與XRD的結(jié)論吻合。可通過(guò)升高陳化溫度和延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間來(lái)改善產(chǎn)物的結(jié)晶性。以上結(jié)果說(shuō)明共沉淀-連續(xù)微反應(yīng)法操作性強(qiáng)，適用范圍廣，可用來(lái)制備不同的尖晶石鐵氧體。

圖5 2的XRD譜圖Figure 5 XRD pattern of 2

圖6 2的TEM照片F(xiàn)igure 6 TEM picture of 2

2.4 磁性能研究

圖7為1和1'的室溫磁滯回線。從圖7可見(jiàn)，兩個(gè)樣品均未觀察到明顯的磁滯現(xiàn)象(矯頑力Hc=0和剩余磁化強(qiáng)度Mr=0)，說(shuō)明粒子具超順磁性。這是由于1的尺寸很小，遠(yuǎn)小于Fe3O4的臨界單疇尺寸(54 nm［12］)。1的飽和磁化強(qiáng)度為62.24 emu·g-1，磁性較好，大于1'的飽和磁化強(qiáng)度(41.68 emu·g-1)；兩者均小于Fe3O4塊體材料的飽和磁化強(qiáng)度(92 emu·g-1)，這由于粒子的小尺寸效應(yīng)所致。

圖7 1和1'的磁滯回線Figure 7 Hysteresis loops of 1 and 1'

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共沉淀-連續(xù)微反應(yīng)法制備Fe3O4納米粒子*

齊海萍1，2a，萬(wàn)軍喜1，曹海琳1，黃玉東2b

Synthesis of Fe3O4Nanoparticles by Co-precipitation and Micro-reactor Method

QI Hai-ping1，2a， WAN Jun-xi1， CAO Hai-lin1， HUANG Yu-dong2b
(1.Shenzhen Key Laboratory of Composite Materials，Shenzhen Academy of Aerospace Technology，Shenzhen 518057，China；a.Chemical Engineering and Technology Post-doctorate Mobile Station；b.Department of Polymer Science and Engineering，2.Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China)

Fe3O4nano-particles(1)were successfully prepared by co-recipitation and micro-eactor method.The microstructure and morphology were inverstigated by XRD and TEM.The results showed that 1 exhibited uniform and fine nanocrystalline with diameter of about 15 nm～20 nm，better dispersion，particle size uniformity，and homogeneous morphology.Magnetic measurement indicated that 1 exhibited a superparanmagnetic property and has a saturation magnetization of 62.24 emu·g-1.

co-precipitation；micro-reactor；Fe3O4nano-particles；preparation

O614.81

A

1005-1511(2014)01-0114-03

2012-08-21；

2013-12-16

深圳市科技研發(fā)資金資助項(xiàng)目(JC201006020838A)

齊海萍(1984-)，女，漢族，貴州安順人，博士研究生，主要從事磁性材料的研究。

曹海琳，教授，E-mail:caohl@hit.edu.cn

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