1、1凝胶- 溶胶相转移法制备纳米 Fe2O3 摘要：本文用溶胶凝胶相转移法制备了纳米 Fe2O3 粉末, 溶胶形成过程中pH 控制在 2 左右；讨论了在不同的 pH、不同的煅烧温度以及超声波作用对样品产量和微粒晶型、粒径的大小影响.关键词：纳米；氧化铁；相转移；十二烷基苯磺酸钠Fabrication and Surface Modification of nanoscale Fe2O3 Powders Abstract In this present paper, nanometric Fe2O3 powders have been prepared by a sol-gel coupled p
2、hase transfer procedure. pH of the solution was maintained at 2.0 during sol formation. Influences of pH of the solution, calcination temperature and ultrasonic wave on the yield, morphology and grain size of the powders have also been discussed in detail.Key Words: nanometric; ferric oxide; phase t
3、ransfer; DBS；自从 1990 年 7 月在美国巴尔的摩召开第一届 NST 会议, 正式提出纳米材料这一概念至今，由于纳米粒子具有小尺寸效应、量子效应、宏观量子隧道效应、表面和界面效应等，纳米材料在许多物理、化学、力学性能上与同组成的宏观粒子材料有非常显著的差异1，并具有十分优良的性质，在短短十几年间纳米材料和技术已经得到了迅猛的发展；勿庸置疑，纳米材料是 21 世纪最具有前途的新兴材料之一2。纳米材料与技术在分子生物学与医学领域，军事领域，催化领域及医药，化妆品，食品与保健品，塑料，橡胶，涂料中已被广泛应用3。在纺织品中加入少量金属纳米微粒就可以极大的消除静电影响，采用纳米层壮银系
4、无机抗菌材料制备的抗菌防霉织物具有持久性，广谱抗菌功能，抗菌效果显著且对皮肤无刺激性；用纳米技术生产的食品可以提高肠胃吸收能力；纳米化妆品无毒无味，对皮肤无刺激性、不易分解、不变质、热稳定性好，对 UVA 和 UVB 均有屏蔽作用，有些纳米化妆品还可2以简单着色。此外，还具有渗透、修复功能，可用作美容美发护理中的活性因子，不仅大幅提高护理效果，还可避免因紫外线辐射造成的对皮肤伤害4；纳米陶瓷具有韧性，可以制成防弹装甲，产生弹丸内滑落或弹回的痕迹，烧结温度低、导热率高，与机体亲和性好、具有可降解性，因此可用来制造电子陶瓷和人造骨骼；自从在催化领域中发现半导体的光催化效应以来，一直引起人们的重视，
5、原因在于这种效应在环保、水质处理、有机物降解、残留农药降解等方面有重要的应用。纳米粒子制成的催化剂活性、选择性都高于普通的催化剂，还具有寿命长、易操作等特点5。此外，纳米材料已被用来制作物质交换膜、燃料助剂、控制剂、分散强化剂、远红外材料、传感器、体育器材等，随着科学技术的发展，纳米材料与技术在人们的生活中正发挥着越来越重要的作用，因而倍受人们的关注6。纳米 Fe2O3 是一种纺锤状粒子，粒径小于 0.1um，在透明介质中具有很好的透明性7 。它不仅具有普通氧化铁的耐光、耐腐蚀、无毒等优点，还具有磁性、高分散性、色泽鲜艳和屏蔽、强烈吸收紫外线等特点，因此可作为功能颜料用于高档汽车、精密仪器、自
6、行车、摩托车等的表面漆, 是现代涂料、油墨，填料行业的重要原料。另外，由于磁性纳米粒子特殊的超顺磁性，在巨磁电阻、磁性液体和磁记录、软磁、永磁、磁致冷、巨磁阻抗材料以及磁光器件、磁探测器等方面具有广阔的应用前景。纳米氧化铁已被用作新型磁记录材料，在高磁记录密度方面有优异的工作性能，记录密度约为普通氧化铁的 10 倍。利用铁基纳米材料的巨磁阻抗效应制备的磁传感器已经问世,包覆了超顺磁性纳米微粒的磁性液体也被广泛用于宇航和部分民用领域作为长寿命的动态旋转密封. 软磁铁氧体在无线电通讯、广播、电视、自动控制宇宙航行、雷达导航、测量仪表、计算机、印刷、家用电器以及生物医学领域均得到了广泛应用；在化工领
7、域, 纳米级 - Fe2O3 因其表面积大 , 表面活性中心多为催化剂提供了必要的条件, 有利于解决催化剂的高选择性和高反应活性. 郭广生等人通过研究纳米氧化铁粒子对乙苯脱氢催化剂活性的影响, 发现以纳米氧化铁为主要原料, 采用特殊工艺制备的多组份催化剂一般强度较低, 焙烧时易粉碎. 若主催化剂以普通氧化铁和纳米氧化铁混合物为原料, 不仅可提高催化剂的活性, 而且可增加催化剂的强度. 当 -Fe 2O3 达到纳米级后, 以此作为燃烧催化剂制成的固体推进剂的燃烧速度较普通推进剂的燃烧速度提高 110 倍, 这对制造高性能火箭及导弹十分有利8. 此外, 人们利用纳米级粒子使药物在人体内的传输更为方
8、便这一特点, 将磁性纳3米粒子制成药物载体, 通过静脉注射到动物体内, 在外加磁场作用下通过纳米微粒的磁性导航, 使其移动到病变部位达到定向治疗的目的. 动物临床实验证实, 带有磁性的 Fe2O3 粒子是发展这种技术的最有前途的功能材料 . 该方法局部治疗效果好, 副作用少. 纳米 Fe2O3 还用作化妆品、食品、药品的着色添加剂等 9. 国内外常用的纳米 Fe2O3 的制备方法有：A. 湿法1. 沉淀法沉淀法是液相化学反应合成金属氧化物纳米颗粒最早采用的方法. 沉淀法成本较低, 其中空气氧化法是制备纳米 - Fe2O3 的最常见方法 . 在惰性气氛下, 往FeSO4 溶液中加入过量的 NaO
9、H 溶液, 使胶粒 Fe(OH)3快速生成. 往悬浮液中鼓入空气后, Fe(OH)2 胶粒逐渐凝聚成较大的胶团 , 并在胶团与溶液界面上形成针形的 -FeOOH 晶核, 进而使胶团逐渐分裂解体, 直至全部转变成针形 -FeOOH 微晶. 在反应过程中控制 pH 值为 12, 温度为 40. 对沉淀物进行过滤, 洗涤, 在马弗炉中维持 350干燥 2得到氧化铁原粉, 用去离子水, 无水乙醇洗涤, 100下烘干, 即制得纳米 - Fe2O3 粉体10. 2. 胶体化学法胶体化学法是近几年来制备透明金属氧化物的纳米级超微粉的新方法. 采用该法制备纳米 - Fe2O3 多以高价铁盐, 如 FeCl3,
10、 Fe(NO3)3 等为初始原料, 首先采用离子交换法、化学絮凝法、胶溶法制得透明性金属氧化物的水凝胶, 用阴离子表面活性剂( 如十二烷基苯磺酸盐或十二烷基磺酸盐)进行憎水处理, 然后用有机溶剂冲洗制得的有机胶体, 经脱水和减压蒸馏, 在低于所用表面活性剂热分解温度的条件下, 制得无定形球状纳米微粒11. 南京理工大学国家特种超细粉体工程技术研究中心的有关人员通过以 FeCl3 溶液为初始原料, 油酸为表面活性剂, 甲苯为溶剂, 将 3 种物质依次加入到烧瓶中, 剧烈搅拌 0.5后, 滴加一定浓度的 NaOH 溶液, 同时控制 pH 值至 6 左右,停止滴加 NaOH 溶液, 倒入分液漏斗中静
11、置分层, 取下层的有机层, 经脱水和减压蒸馏, 在低于所用表面活性剂热分解温度的条件下, 制得粒径在 10nm 左右且表面包覆油酸的纳米 - Fe 2O3. 3. 水热法 水热法(高温水解法) 制备超细微粉的技术始于 1982 年. 近年来, 将一些新技术4如微波技术, 超临界技术引入水热法, 合成了一系列纳米化合物, 使其成为重要的合成技术之一. 通过高温高压在水溶液或蒸汽中合成物质, 再经分离和热处理得到纳米微粒. 根据反应类型不同可分为: 水热氧化、还原、沉淀、合成、水解、结晶等. 特点是粒子纯度高、分散性好、晶型好且大小可控12. 采用微波水解法制备纳米 - Fe2O3,由于微波有很强
12、的穿透性和优异的选择性, 所以反应速度快, 产率高, 而且是通过物质对微波的吸收来使其升温, 加热升温速率快, 体系受热均匀, 瞬时温度高等13. 此外还有强迫水解法，凝胶-溶胶法，水溶胶-萃取法等14. B. 干法 1. 气相法 气相法在制备纳米微粒技术中占有重要的地位. 它可以分为物理气相沉积法和化学气相沉积法. 物理气相沉积法是利用电弧、高频或等离子体高温热源将氧化物加热, 使之汽化 , 然后聚成纳米粒子 , 其中以真空蒸发法最为常用. 化学气相沉积法利用挥发性金属化合物或金属单质蒸汽通过化学反应生成所需化合物, 根据反应类型可分为气相氧化、气相热解、气相水解等. 气相法的优点是设备简单
13、, 反应条件易控制, 产物易精制, 只要控制反应气体和气体的稀薄程度就可得到少团聚或不团聚的超细粉末, 颗粒分散性好、粒径小、分布窄, 能连续稳定生产, 且能耗少, 已有部分材料形成工业化生产11. 2. 固相法纳米氧化物的固相制备方法有机械粉碎法和固相化学反应法. 机械粉碎法是采用超微粉碎机制备超微粒, 其原理是利用介质和物料间相互研磨和冲击, 以达到超细化, 但很难使粒径小于 100nm. 固相化学法合成纳米氧化物是一种近年来发展起来的一种新方法. 固相反应法就是把金属盐或金属氧化物按配方充分混合, 研磨后进行煅烧, 发生固相反应后, 直接得到纳米粒子或再研磨得到纳米粒子. 采用固相化学反
14、应法制备纳米 - Fe2O3 的过程中, 研磨中要注意力度均匀 , 研磨时间充足, 这样才能保证 Fe(NO3)39H2O 和 NaOH 充分反应, 否则制备出的 - Fe2O3 就很难达到纳米级且粒径分布也不均匀. 另外, 灼烧的时间和温度也影响实验的结果15. 随着材料科学技术的不断发展，纳米氧化铁的制备方法也在不断推陈出新, 各种方法在不断进行交叉、渗透，如近年非常盛行的制备超薄薄膜的自组装技术已经开始应用于纳米材料的制备16. 51 实验部分1.1 实验仪器和药品 50mL 烧杯 3 个，150mL 容量瓶 1 个，玻璃棒 1 根，抽滤瓶 1 个，50mL 量筒 1个，100mL 烧杯
15、 1 个，胶头滴管 2 个，洗瓶 1 个，100mL 蒸馏烧瓶 2 个，球形冷凝管 1 个，分液漏斗 1 个，滤纸若干，18mL 坩埚 3 个，电子称 1 台，刮刀 1 个，玛瑙研钵 1 个，医用真空仪 1 台，控温式磁力搅拌器 1 台，pH 计 1 台，马弗炉 1 台，原子力显微镜 1 台(日本精工). FeCl3（分析纯） ，氨水（分析纯） ，盐酸（分析纯） ，CHCl 3（分析纯） ，十二烷基苯磺酸钠（分析纯）. 1.2 实验方法1.2.1 pH 值对纳米 Fe2O3 样品的影响：取 0.2mol/L 的 FeCl3 溶液 35mL 于 50mL 的烧杯中，加稀氨水至反应体系的 pH值为
16、 6.00, 制取 Fe(OH)3 沉淀. 将沉淀过滤并用蒸馏水洗涤 3 次后置于盛有 8mL 0.2mol/L 的 FeCl3 溶液的烧杯中. 调节溶液的 pH 值为 2. 在 70下水浴加热 1 小时. 趁热加入 1%的 DBS 溶液 40mL, 搅拌，静置 10min. 冷却后用 CHCl3 进行萃取，将有机层转入蒸馏烧瓶中进行减压蒸馏, 将残余物置于 8mL 的坩埚内炒干后置于马弗炉中焙烧，保持温度为 420加热 1 小时. 取样品称量，后用玛瑙研钵研细即可. 重复上述步骤，分别将 pH 值调节为 7.00、7.50、 8.00、8.50、9.00、9.50, 最后以 pH 对样品产量
17、作图. 1.2.2 煅烧温度的影响其余步骤不变，分别将培烧温度依次调节为 400，440，500，600，以温度对样品产量作图. 1.2.3 超声条件的影响：保持 pH7，将制得的胶体液放入超声仪中，保持超声时间为 30min, 其余步骤不便，对样品进行处理. 1.2.4 样品测试 X 射线衍射分析(XRD)在 Riga DMA-III 型 X 射线粉末衍射仪上进行 , 铁靶Ka(=0.19373 nm), 管压 40Kv, 管流 25mA , 扫描速率为 10.s-1. 获得 X 射线粉末衍射图谱以确定物相和样品的平均粒径. 由 Scherrer 公式 d = K/(cos)再结合 XRD
18、图6谱计算出 Fe2O3 粉末的平均粒子大小. 式中 d 为晶粒直径，K 为常数， 为半宽高(rad), K=1.00, 为 X 射线的波长，为 0.19373, 是晶体的半衍射角 . X 射线衍射参数：起始角：20 终止角： 90 扫描速度： 10 积分时间：0.2 步长：.02 重复次数：1 靶型：Fe 管流：25mA 管压：40kV 狭缝：1&0.3&1 滤波片： Mn采用 SPN1000 型扫描探针显微镜对 Fe2O3 纳米粒子的大小和外貌进行了观察. 2 结果讨论与分析 由于纳米微粒有较高的表面能，其在聚合反应过程中有热量放出，H9时不能形成稳定的胶体，只有当 pH 值在 48 之间
19、时才能形成稳定的胶体 19. 因此本实验在考查其它条件对纳米粒子的影响时，将 pH 保持为 7. 22 pH 值对纳米粒子粒径的影响：pH 对纳米粒子粒径的影响结果见表 2 和图 3. 图中粒子的粒径采用 x-ray 射线数据计算所得。表 2 pH 与产品粒径的关系9pH 值 6.00 6.50 7.00 7.50 8.00 8.50 9.00 9.50粒径 d/nm 31.27 16.84 37.50 24.00 28.33 31.10 26.00 19.170102030406 7 8 9 10pH值微粒直径/nm图 3 产品粒径与 pH 的关系由图 3 可以看出：当沉淀过程中的 pH 值
20、控制在 6.5 时，纳米粒子粒径最小，为16.84 nm；当沉淀过程中的 pH 值控制在 7.00 时, 纳米粒子粒径最大，为 37.50nm. 23 加热温度对样品质量的影响：焙烧温度对产品产量的影响见表 3 和图 4. 图中粒子的粒径采用 x-ray 射线数据计算所得。表 3 焙烧温度对产品产量的影响温度/0C 400 420 440 500 600样品质量/g 0.48 0.50 0.49 0.50 0.50样品产率% 85.71 89.29 87.50 89.29 89.29104045050506085.6.08.57.08.5.08.59.08.5/% 图 4 焙烧温度产率的影响由
21、图 4 可以看出，焙烧温度对样品的产率影响不是很大，再根据在不同温度时对样品所做的红外谱图分析（如图 5 所示）可以看出：当温度高于 400时，纳米微粒表面的有机溶剂 CHCl3 和表面活性剂十二烷基苯磺酸基已经蒸发或分解完全，故样品比较纯净. 图 5 样品的 IR 图谱， T=40024 焙烧温度对样品粒径的影响 焙烧温度对样品粒径的影响见表 4 和图 6. 图中粒子的粒径采用 x-ray 射线数据计算所得。表 4 焙烧温度对产品粒径的影响，pH=7.0011焙烧温度/ 400 420 440 500 600粒径 d/nm 27.82 14.76 21.97 30.33 28.2640450
22、505060102304506708901/nm图 6 焙烧温度对产品粒径的影响， pH=7.00由图 6 可以看出, 当焙烧温度为 400时，样品粒子粒径较大，为 27.82nm, 对照 JCPDF 卡可知，产品为 -Fe2O3，温度从 420 到 500，样品粒径逐渐增大，表明温度升高时，微粒粒径增大。在制备溶胶过程中将溶胶放入超声仪中超声 30min后，即使用 600的温度焙烧，样品粒径为 28.26nm, 比不采用超声条件，温度为500条件下制得的样品粒径 30.33nm 都要小，说明采用超声波有利于样品的粒径减小. 将胶体置于超声环境中时，胶体微粒会因超声波的作用而加剧运动，使得胶体
23、微粒变小、分散均匀，制得的样品微粒粒径较小. 图 7 是将胶体置于超声环境中30min 所得的纳米 Fe2O3 样品形貌图， 12图 7 产品 AFM 形貌图由图 7 可以看出, Fe2O3 纳米微粒具有团聚现象，磁性 Fe2O3 粒子相互吸引，形成环状结构.图 8 样品的 x-射线粉末衍射图13图 8 为样品 X 衍射图谱. 对照 JCPDF 卡，测定结果与理论值吻合较好，证明样品均为 Fe2O3 ，且结晶程度良好 . 由图 7 还可知，溶胶-凝胶相转移法所制得产物为纯 Fe2O3；由衍射峰的强度和宽度，通过 Scherrer 公式计算得出纳米粒子的粒径.结论用此方法制得的样品比较纯净，颗粒
24、比较均匀. 将有机相涂成薄层焙烧后，表面鲜红且具有金属光泽. 参考文献1 张立得，牟季美 . 纳米材料和纳米结构M. 科学出版社，2002. 2 刘吉平，郝向阳 . 纳米科学与技术M. 北京：科学出版社，2002，第一版.3 邵梅珍. 纳米氧化铁的制备与展望J. 衡水师专学报，2001，3（4）：5758.4 严东生. 纳米材料科学M. 长沙：湖南科学技术出版社，1996. 5 白春礼. 纳米科技现在与未来M. 成都：四川教育出版社，2001，第一版. 6 李凤生，杨 毅等. 纳米/微米复合技术及应用M. 北京：国防工业出版社，2002，第一版. 7 沙 菲，宋洪昌 . 纳米 Fe2O3 的制
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