不同表面活性劑對(duì)α-Fe₂O₃形貌和磁性的影響研究

謝小雪 方迎春 劉龍剛 杜慶波 尹輝

【摘 要】 本文采用水熱法，分別以聚乙烯吡咯烷酮（PVP）、十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）和脲（Urea）為表面活性劑，合成了球狀、立方體狀和棒狀的α-Fe2O3納米材料，利用XRD、FESEM和VSM對(duì)合成的α-Fe2O3納米材料的結(jié)構(gòu)、形貌和磁性進(jìn)行了表征。研究了這些表面活性劑對(duì)顆粒的結(jié)構(gòu)、形貌和磁學(xué)性能的影響。結(jié)論說明：不同的表面活性劑對(duì)α-Fe2O3樣品的結(jié)構(gòu)和形貌有影響，樣品的形狀各向異性影響赤鐵礦納米材料矯頑力的增強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)了通過改變表面活性劑從而調(diào)控樣品磁性能的目標(biāo)。

【關(guān)鍵詞】 α-Fe2O3;表面活性劑;形貌;磁性能

【中圖分類號(hào)】 TB383 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】 A 【文章編號(hào)】 2096-4102（2021）02-0089-03

1引言

納米技術(shù)因其在納米尺度（10-9 m）上的新應(yīng)用而引起了科學(xué)界的廣泛關(guān)注。氧化鐵由于其優(yōu)異的性能和在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用前景而受到廣泛的研究，如高效吸附劑去除污染物、生物應(yīng)用和生物傳感器等。在鐵氧化物中，赤鐵礦（α-Fe2O3）納米粒子（HNPs）因其無毒、成本低廉，且為鐵的氧化物中熱力學(xué)最穩(wěn)定的相，被廣泛應(yīng)用于礦山酸性排水處理、光催化、鋰離子電池、生物能源、太陽能電池及建筑領(lǐng)域等。此外，α-Fe2O3對(duì)痕量金屬和類金屬具有很高的吸附能力。因此，它可用于某些環(huán)境污染物的分離，如：As和Cr，這些污染物可通過吸附固定到赤鐵礦表面。Djordje Trpkov等報(bào)道了無甘氨酸和甘氨酸輔助水熱合成由自組裝的赤鐵礦納米顆粒組成的微型超結(jié)構(gòu)。樣品的X射線粉末衍射測量證實(shí)了赤鐵礦納米粒子具有良好的結(jié)晶性，顆粒形貌的計(jì)算分析表明，甘氨酸表面活性劑，赤鐵礦的層狀結(jié)構(gòu)呈球形，粒徑較小;在甘氨酸存在下合成的樣品矯頑力增加了3倍，這些結(jié)果表明，赤鐵礦結(jié)構(gòu)具有良好的磁性。Marin Tadic等采用水熱法合成了多種形貌的α-Fe2O3納米材料，采用XRD、FTIR、TEM、SEM和Raman光譜等多種方法對(duì)樣品進(jìn)行了表征。研究了表面活性劑對(duì)粒子結(jié)構(gòu)和形貌的影響，合成樣品的磁性能與其結(jié)構(gòu)和形貌關(guān)系密切。

合成的α-Fe2O3樣品具有令人感興趣的顆粒形貌、結(jié)構(gòu)和磁性。我們發(fā)現(xiàn)，表面活性劑是影響產(chǎn)物形貌和尺寸的關(guān)鍵因素。磁性測量表明，分別以PVP、CTAB和Urea為表面活性劑制備的α-Fe2O3樣品具有弱鐵磁性能，其中以PVP作為表面活性劑制備的α-Fe2O3樣品為微納米棒，由于形狀各向異性，矯頑力達(dá)3826 Oe。該合成路線簡單、降低了反應(yīng)溫度，從而降低成本，可滿足大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)的需要。

2實(shí)驗(yàn)部分

通過水熱法合成赤鐵礦樣品。稱取0.6g聚乙烯吡咯烷酮（PVP）、十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）、脲（Urea）各加蒸餾水30ml，在磁力攪拌下溶解后轉(zhuǎn)移至50ml聚四氟乙烯內(nèi)襯高壓釜中，密封，在120℃反應(yīng)24h。反應(yīng)完成后，自然冷卻至室溫。將得到的濁液轉(zhuǎn)移到10ml塑料管中，離心，分別用無水乙醇和蒸餾水沖洗四次。在60℃干燥24小時(shí)后，備用。制備過程如圖1（a）- （c）所示。另取2mmol的氯化鐵（FeCl3），不加任何表面活性劑，在同樣條件下反應(yīng)，制備的樣品作為對(duì)照品，制備過程如圖1（d）所示。

3結(jié)果與討論

3.1 α-Fe2O3的物相與形貌分析

用X射線粉末衍射（XRD）測定了樣品的結(jié)構(gòu)和相組成，如圖2所示。

圖2表明存在單個(gè)α-Fe2O3相，未觀察到與其他氧化鐵相對(duì)應(yīng)的衍射峰，并且觀察到的所有樣品的XRD圖譜都與菱面體晶體結(jié)構(gòu)相匹配（JCPDS：33-0664）。

峰型尖銳表明所制備的α-Fe2O3樣品具有高結(jié)晶性。

利用掃描電鏡對(duì)樣品的形貌和尺寸進(jìn)行了較詳細(xì)的研究。圖3顯示了采用水熱法，分別以聚乙烯吡咯烷酮（PVP）、十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）、脲（Urea）為表面活性劑，制備的α-Fe2O3樣品的FESEM圖像。圖3（a）顯示以PVP為表面活性劑，制備的PVP包覆的α-Fe2O3樣品的形態(tài)呈現(xiàn)球狀，尺寸分布均勻，直徑約600-700 nm。圖3（b）顯示CTAB包覆的α-Fe2O3樣品形態(tài)呈現(xiàn)準(zhǔn)立方體狀，立方體邊長約700-800 nm，圖3（c）為Urea包覆的α-Fe2O3樣品形態(tài)呈棒狀，長度約400-600 nm。圖3（d）為不添加任何表面活性劑，在相同的實(shí)驗(yàn)條件下制備的α-Fe2O3樣品形貌，樣品呈現(xiàn)無規(guī)則的形貌。因此，通過改變不同的表面活性劑，在其他實(shí)驗(yàn)條件不變的情況下，可以控制α-Fe2O3樣品的大小和形狀。

3.2 α-Fe2O3的磁性能

本文中，樣品的磁性測量是在室溫（300k）下使用磁學(xué)測量系統(tǒng)（SQUID）進(jìn)行的（如圖4所示）。

PVP包覆的α-Fe2O3納米材料的M（H）測量結(jié)果如圖4（a）所示。記錄的磁參數(shù)（Hc = 1158 Oe， Mr = 0.12 emu/g， Ms=0.59 emu/g）表明為軟磁特性材料。CTAB包覆的α-Fe2O3納米材料樣品的磁性能如圖4（b）所示，樣品的鐵磁性較弱，矯頑力Hc = 1063 Oe， Mr = 0.11 emu/g， Ms = 0.53 emu/g為軟磁性材料。Urea包覆的α-Fe2O3納米材料樣品的磁性能如圖4（c）所示，矯頑力Hc = 3826 Oe， Mr = 0.14 emu/g， Ms = 0.60 emu/g為軟磁性材料。相對(duì)于PVP和CTAB包覆的α-Fe2O3納米材料樣品，Urea包覆的α-Fe2O3納米材料樣品中，由于形狀各向異性，引入了額外的各向異性效應(yīng)（形狀各向異性），從而增加了矯頑力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明：形狀各向異性在樣品的磁性能發(fā)展中起著至關(guān)重要的作用。

4結(jié)論

本文采用水熱法，分別以聚乙烯吡咯烷酮（PVP）、十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）、脲（Urea）、為表面活性劑，制備了α-Fe2O3微納米球、微納米立方體和微納米棒，對(duì)其物相、形貌和磁性能進(jìn)行了研究，并和未添加任何表面活性劑制備的α-Fe2O3微納米材料相比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，表面活性劑對(duì)產(chǎn)物形貌和磁性能有較大的影響，實(shí)現(xiàn)了添加不同的表面活性劑，得到不同形貌的α-Fe2O3微納米材料，從而實(shí)現(xiàn)形狀各向異性對(duì)樣品磁性能的調(diào)控，其中脲包覆的α-Fe2O3微納米棒矯頑力達(dá)到近4000Oe。這將對(duì)軟磁性材料的制備和磁性能的調(diào)控提供一個(gè)切實(shí)可行的方法。

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