淺談四氧化三鐵納米材料的制備與應(yīng)用

王彥

摘? ?要：四氧化三鐵納米材料，在很多行業(yè)中有著良好的應(yīng)用前景。立足于四氧化三鐵的性質(zhì)與結(jié)構(gòu)，分析了制備方法，并討論了四氧化三鐵納米材料的制備在多個方面的應(yīng)用，以供參考。

關(guān)鍵詞：四氧化三鐵;納米材料;制備;應(yīng)用

四氧化三鐵納米粒子化學(xué)性質(zhì)較為穩(wěn)定，粒徑能夠降到幾納米，有著極高的催化活性以及很好的磁響應(yīng)與耐候性等優(yōu)點，可以在多個方面進行合理運用。比如，汽車面漆與皮革方面、塑料與涂料方面、催化劑與組織工程方面等，與此同時，有望探索新的用途。本研究針對四氧化三鐵納米材料的制備及其在各方面的運用進行了分析和論述。

1? ? 四氧化三鐵性質(zhì)與結(jié)構(gòu)

鐵氧化物可以劃分成3種類型，即四氧化三鐵、一氧化鐵與三氧化二鐵，其化學(xué)名稱是Fe3O4、FeO、Fe2O3，而M（Fe3O4）=231.540。四氧化三鐵為黑色晶狀固體，是電的導(dǎo)體，具備磁性，同時，不溶于水，還有還原性與氧化性。四氧化三鐵高溫有氧加熱容易氧化成三氧化二鐵;還易于被還原性強的物質(zhì)還原成鐵單質(zhì)。經(jīng)過X-射線衍射能夠發(fā)現(xiàn)：四氧化三鐵化合物是以Fe2+與Fe3+混合氧化態(tài)構(gòu)成，屬于反尖晶石結(jié)構(gòu)。

2? ? 四氧化三鐵納米材料的制備方式分析

通常而言，影響納米四氧化三鐵性能的核心因素有結(jié)晶度與磁飽和量、粒徑與矯頑力等。不一樣的性能，其適用范圍不同，如此看來，四氧化三鐵納米粒子制備方式存在著一定的差異性。四氧化三鐵納米粒子制備方式的關(guān)鍵為物理與化學(xué)方式。物理方式中具有代表性的就是機械球磨方式，該制備方式簡單，可是所花時間長，顆粒大小不同，產(chǎn)品純度不高，所以，該方式制備出來的納米材料不能滿足科學(xué)領(lǐng)域的需求。當下制備四氧化三鐵納米粒子的常用法為化學(xué)方式，合成的納米粒子很穩(wěn)定，形狀可以控制，同時，可以單分散，該制備方式程序簡單，費用低。當下制備納米四氧化三鐵的方式較多，比如熱液、沉淀與熱水解方式等。

2.1? 水熱方式

這種方法也被稱為熱液方法，從宏觀角度而言涵蓋了水溶劑熱方式以及溶劑熱法。反應(yīng)是于高壓和高溫下的水溶液中展開的，因此，一定形式的前驅(qū)物質(zhì)會產(chǎn)生和常溫下不一樣的性質(zhì)，比如，溶解度提高、化合物晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型、離子活度加強等。近期，水熱方式在制備多種無機納米材料中運用甚廣。使用四氧化鐵和氧化氫提供鐵源，去離子水當成溶劑，氫氧化鈉當作沉淀劑，α-丙二醇是助劑，采用水熱方式一步構(gòu)成八面體狀的磁性四氧化三鐵納米微粒。發(fā)現(xiàn)其粒子平均邊長是500 mm，晶狀可經(jīng)過不一樣的方向使生長速率得以把控，同時，簡述了四氧化三鐵八面體的生長模式。得到的四氧化三鐵八面體于室溫中的比飽和與磁化強度以及矯頑力分別是87 emu/g左右與95 Oe，伴隨溫度的提高，He值降低，是因為有效磁各向異性伴隨試驗溫度提升而下降。而楊華等通過水熱方式得到的粉末是單一相的四氧化三鐵納米顆粒，99%的粒子尺寸在100 nm以下，得到的水基磁流體為穩(wěn)定的膠體體系，于320 mT中并沒有顯著的分層現(xiàn)象，在可見光照射以及磁場相互作用中，肉眼能夠看到明亮的光環(huán)，根據(jù)丁達爾現(xiàn)象可以了解到，出現(xiàn)光環(huán)表示溶膠粒子尺寸比可見光波長，在1～100 nm。

綜上所述，制備方式都是將水當成溶劑，而有機溶液被當成溶劑也是合成四氧化三鐵納米粒子的常用方法。將FeCl3·6H2O當作單一鐵源，乙二醇當作溶劑，醋酸鈉當成沉淀劑，在表面活性劑聚乙烯吡咯烷酮產(chǎn)生的情況下合成初級納米晶核構(gòu)成的多孔磁性四氧化三鐵納米球[1]。

采用水熱方式制備出來的四氧化三鐵納米微粒有著很高的純度，同時，分散性極好，可是操作步驟比較復(fù)雜，對于設(shè)備方面的要求較高，成本支出大，因而還需要將其進行改進。

2.2? 熱水解方式

熱分解方式是獲取四氧化三鐵納米微粒常用的方法之一。常見的金屬有機化合物為羰基金屬鹽等，穩(wěn)定劑涵蓋了十六胺與脂肪酸等。一般將鐵的有機配合物溶于沸點較高的有機溶劑中，嚴格把控反應(yīng)條件，從而制備出相應(yīng)的產(chǎn)物。孫守恒于二苯醚內(nèi)通過三乙酰丙酮鐵作為前驅(qū)體，油胺與油酸作為活性劑，在試驗過程中添加1， 2-十六烷二醇當成混合溶劑，于300 ℃下反應(yīng)0.5 h，進而制備出平均粒徑是4 nm的四氧化三鐵納米粒子，與此同時，粒徑大小差不多。Wang等把2 nmol的三乙酰丙酮鐵溶于20 mm的二苯醚內(nèi)，接著把10 nmol的1， 6-己二醇加入這一溶液當成混合溶劑，于220 ℃下反應(yīng)10 h，制備出直徑為300 nm的亞微中空球狀四氧化三鐵。Gao等在油胺與油酸出現(xiàn)的情況下，把三乙酰丙酮鐵當成前驅(qū)體于260 ℃中合成單分散四氧化三鐵納米管。經(jīng)過調(diào)節(jié)反應(yīng)參數(shù)，制備出來的四氧化三鐵納米微粒形狀能夠在球體以及立方體間相互可逆交換。Woo等把五羧基全鐵當作前驅(qū)體，油酸當作表面活性劑，辛醚當成溶劑，經(jīng)過調(diào)整五羧基全鐵與油酸比例，獲取到直徑是5、11與19 nm的四氧化三鐵納米顆粒。而Park等使用相同的方式，配制五羧基全鐵與油酸比例為1∶1和1∶2、1∶3，分別獲取到直徑是4、8、12 nm的四氧化三鐵納米顆粒[2]。

通過上述研究可以發(fā)現(xiàn)，高溫?zé)岱纸夥绞剿苽涞募{米粒子有著一定的分散性，且有粒徑分布不廣 、尺寸小等優(yōu)勢，可是制備出來的納米粒子一般僅僅溶解在有機溶劑中，環(huán)境不友好，且有機金屬前驅(qū)體成本高，會提高生產(chǎn)成本，所以，不適于進行大量生產(chǎn)。

2.3? 溶膠凝膠方式

這種方式是將凝膠作為基質(zhì)，經(jīng)過重結(jié)晶，生產(chǎn)高度分散的納米顆粒。一般是把1∶2 nmol的Fe2+與Fe3+混合，接著添加適當?shù)挠袡C酸調(diào)整溶液的pH，使其慢慢變成凝膠。溶膠凝膠方式的過程為：（1）水解;（2）單體出現(xiàn)縮聚反應(yīng)構(gòu)成顆粒;（3）顆粒變大;（4）顆粒積聚。然后于液相中構(gòu)成網(wǎng)狀，溶膠變稠構(gòu)成凝膠。Tang等通過溶膠凝膠方式制備四氧化三鐵納米帶，分別將FeCl3·4H2O當成原料，一水合成檸檬酸，抗壞血酸當作抗氧化劑與無水乙醇當成溶劑混合溶液，在60 ℃中拌和6 h，接著添加0.1 mL的二甲基甲酰胺（Dimethylformamide，DMF），使用浸漬提拉工藝把這一溶液涂抹于硅玻璃基底中。放在100 ℃下烘干，在400 ℃下加熱0.5 h獲取到四氧化三鐵納米粒子[3]。周潔等采用四氧化鐵提取鐵源，把KOH與KNO3溶液和其攪拌以后獲取到墨綠色的溶膠，于90 ℃水浴情況下反應(yīng)4 h獲取到四氧化三鐵凝膠，通過磁性分離以后制備出四氧化三鐵納米粒子。通過研究可以了解到，通過把控反應(yīng)體系里面的OH﹣與Fe2+濃度，能夠制作出尺寸不一樣的顆粒。

溶膠凝膠方式的制備過程擁有反應(yīng)溫度低、產(chǎn)品尺寸不大、凝膠速度緩慢以及合成時間長的特征。可是這樣的制備方式可以充分區(qū)別晶體成核與生長的過程，進而防止晶體于生長中產(chǎn)生大量聚沉現(xiàn)象，獲取的產(chǎn)物有著極高的純度，粒徑分布范圍較小，均勻性甚佳。這一方式的不足之處就是生產(chǎn)費用高，同時，在烘干過程中易發(fā)生開裂的現(xiàn)象。

3? ? 應(yīng)用探索

3.1? 能源儲存

能源匱乏是亟待處理的問題，所以，能源儲備是很重要的。超級電容器是一種關(guān)鍵的能源儲備裝置，吸引了人們的注意力，超級電容器有著很好的脈沖放電性能與容量大的儲能性能，再加上循環(huán)時間長、對環(huán)境零污染以及充電速度快等優(yōu)點，是介于以往靜電電容器與化學(xué)電源間的全新儲能元件。電極材質(zhì)是組成超級電容器的核心部分。過渡金屬氧化物納米材料因為有著比較特殊的結(jié)構(gòu)、機械與電子性能，于電容器內(nèi)能夠體現(xiàn)出各種氧化態(tài)，演變成現(xiàn)下熱門的超級電容器電極材質(zhì)。四氧化三鐵是金屬氧化物，具備各種氧化價態(tài)，環(huán)境友好且資源比較豐富，是潛在性超級電容器電極材質(zhì)。陳等人使用水熱方式制備出了反尖晶石結(jié)構(gòu)，形貌為球狀，于電解液1 mol/L Na2SO3溶液里，展開循環(huán)伏安與交流阻抗等檢測，對該性能加以研究。實驗表明，四氧化三鐵電極于工作電位范疇以內(nèi)有著非常好的電容特性。

3.2? 生物醫(yī)藥

伴隨醫(yī)學(xué)的持續(xù)發(fā)展與進步，人類對醫(yī)藥質(zhì)量與科技含量要求提高。因為四氧化三鐵性質(zhì)較為穩(wěn)定，生物相容性甚佳，與此同時不會危害到人體，所以，運用在生物醫(yī)藥的各大領(lǐng)域。在醫(yī)藥治療階段，會促使醫(yī)藥對健康的細胞帶來不良影響，這是由于醫(yī)藥于靜脈注射以后是非定向、沒有規(guī)則分布的，并且不一樣的藥品相互間有著彼此作用的效果，會導(dǎo)致藥物效果喪失。所以，需要把藥物固定于修飾以后的納米顆粒表面，接著把磁性納米顆粒結(jié)合在載體溶液中，經(jīng)過靜脈注射于人體中。于外加磁場作用下，藥物可以定向運輸至某個特定位置，進而實現(xiàn)治療。采取該種方式，能夠避免藥物損害正常組織，同時，于病變位置構(gòu)成濃度高的藥物環(huán)境，促使治療效果獲得提升。Sun經(jīng)過構(gòu)成單分散性良好的超順磁多孔四氧化三鐵空心顆粒，同時，成功將其應(yīng)用于運輸抗癌藥物。在四氧化三鐵空心顆粒中空心內(nèi)裝置藥物，接著將其運輸至靶向癌細胞，于細胞內(nèi)酸性溶媒體下，慢慢溶解，孔徑長大，藥物釋放于細胞內(nèi)，如此能夠有效消除癌細胞。并且，因為空心球殼層的保護作用，藥物于運輸中未曾由于和血漿蛋白作用而出現(xiàn)鈍化。再者，該種靶向治療方式可以有效減輕醫(yī)藥用量。

3.3? 化學(xué)催化

因為納米催化材料有高比表面積與一定的催化活性，可以運用于多相催化反應(yīng)體系內(nèi)，可是因為這部分超細粉體很難回收與分離，造成資源浪費，且局限了納米催化材料的使用范圍。因為四氧化三鐵納米材料與其復(fù)合物尺寸較小，大于表面積，同時，制備中產(chǎn)生了諸多不平整的孔狀結(jié)構(gòu)，擴大了化學(xué)反應(yīng)接觸面積，如此提高了材料反應(yīng)效率與催化活性。假設(shè)把有催化活性的組分附著于四氧化三鐵納米顆粒中，能夠獲得核殼結(jié)構(gòu)的催化納米材料。如此不僅可以保留催化材料原本的高度催化活性，還可以促使催化劑易于從反應(yīng)體系內(nèi)回收，進而減少反應(yīng)成本。近期，伴隨工業(yè)科學(xué)技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，環(huán)境污染問題加劇，引起了人類的關(guān)注。怎么解決工業(yè)廢水發(fā)展成環(huán)保部門以及專家們探索的核心課題，對于如何有效處理污水里面的污染物，相關(guān)人士提出了諸多新構(gòu)思，部分研究表示，可將純粹的二氧化鈦當成光催化劑放在污水內(nèi)催化光降解，但是如此無法有效對催化劑加以回收，導(dǎo)致資源浪費，同時，剛添加到體系內(nèi)的催化劑會一并沉淀下去，進而帶來新的污染。使用二氧化鈦包覆四氧化三鐵納米顆粒，制備出復(fù)合磁性催化劑材料，不但有其原來的催化活性，還可以作用于外磁場，便于回收與再次使用添加的催化劑。

4? ? 結(jié)語

四氧化三鐵納米粒子由于其良好的物理化學(xué)性質(zhì)、來源渠道廣、價格較低等優(yōu)點，會吸引越來越多的關(guān)注。伴隨信息科技的持續(xù)發(fā)展，四氧化三鐵納米材料的制備方式愈發(fā)健全，多種方式持續(xù)交叉與滲透，進而獲取到新的制備方式，同時，運用范圍甚廣?？墒?，四氧化三鐵納米材料制備中也有各種各樣的問題，因此，未來研究的核心應(yīng)當為催化劑活性組分和磁性載體間的作用、載體與催化劑活性影響等問題。

[參考文獻]

[1]談思維，施燕鵬，邵? ?吉.四氧化三鐵磁性納米材料固相萃取-火焰原子吸收光譜法測定水中鉻[J].中國衛(wèi)生檢驗雜志，2019，29（20）：2 444-2 446，2 451.

[2]郭文義，郭同誠，王? ?宇.響應(yīng)面法優(yōu)化木材/銅-納米四氧化三鐵磁性復(fù)合材料的制備[J].電鍍與涂飾，2019，38（13）：658-662.

[3]任莉君，張新博，陸? ?航.石墨烯/聚苯胺/四氧化三錳納米復(fù)合材料的制備[J].化工新型材料，2019，47（6）：72-75.