纳米材料的介绍及纳米四氧化三铁的制备方法介绍.doc

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纳米材料的介绍及纳米四氧化三铁的制备方法介绍

沈明09应化

（2）班20091302232

摘要

本文阐述了纳米材料的性能特点。

然后以纳米四氧化三铁为例，介绍了其在磁性材料、多功能材料、催化材料以及医学领域的应用现状。

着重介绍了纳米四氧化三铁的制备方法，如沉淀法、溶胶-凝胶法、微乳液法等做了介绍，并对各制备方法进展和优缺点进行了简要介绍。

最后对纳米四氧化三铁今后的发展做了展望。

关键词：

纳米材料；四氧化三铁；应用；制备；进展

前言

纳米科学技术是研究在千万分之一米到十亿分之一米内，原子、分子和其他类型物质的运动和变化的科学。

在这一尺度范围内对原子、分子进行操纵和加工的技术，称为纳米技术。

纳米材料是一种介于分子与宏观材料之间的介观态材料，一般由金属、金属化合物、无机物或聚合物的纳米级颗粒（1~100nm）经压实或烧结而成的材料。

纳米级颗粒在整体上构成了一种与晶态或玻璃态有较大差别的崭新结构，导致它具有一系列的特殊物理、化学性质，而这些特性是其他固体材料或常规材料根本不具有的特性。

目前，人工已经合成并研究的单质体系有：

Fe、Si、Pd、Cu、Ti、Ni、Al、Mo等；单一氧化物有Al2O3、MgO、ZrO2、Fe2O3、TiO2等；多组分复合纳米材料有CoFe2O4、MnFe2O4等。

一、纳米和纳米复合材料的应用

纳米材料的研究和应用，不但改造了传统材料，而且又源源不断地创造出新材料，从而提高和改变了我们的生活质量。

1、纳米级磁性材料

纳米微粒尺寸小，具有单磁畴结构、矫顽力高的特性，用它制成的磁记录材料不仅音质、图像和信噪比较好，而且记录密度比γ-Fe2O3高几十倍。

日本松下电器公司已制成纳米级微型录像带，具有图象清晰、信噪比较高、失真小等优点。

此外，超顺磁的强磁性纳米颗粒还可以制成磁性液体，广泛用于声电器材、阻尼器材、旋转密封、润滑、选矿等领域。

2、纳米陶瓷

纳米陶瓷的晶粒度尺寸极小，晶粒容易在其他颗粒上运动，具有极高的强度、韧性及延展性。

在次高温下将纳米陶瓷颗粒加工成型，然后做表面退火处理，就可以是纳米材料成为一种表面保持常规陶瓷材料硬度和化学性质，而内部仍具有纳米材料的延展性的高性能陶瓷。

3、纳米催化剂

由于粒子尺寸小，表面体积分数较大，表面的键态和电子态与颗粒内部不同。

表面原子配位不全，导致表面的活性位置增加，使它具备了催化的基本条件，而且具有粒径小、密度小、比表面积大、反应活性高、选择性强等许多优点。

例如，Ni或Cu-Zn化合物的纳米颗粒对于某些有机物的氢化反应是极好的催化剂，可代替昂贵的金属铂或钯催化剂；纳米铂黑催化剂可以使乙烯的氧化反应温度从600℃降到室温。

4、纳米半导体材料

将硅、有机硅、砷化镓等半导体材料制成纳米材料，具有许多优异性能。

例如，某些纳米半导体材料的电子运输反常，电导率降低，电导热系数也随颗粒尺寸的减小而下降，甚至出现负值。

这些特性在大规模集成电路器件、薄膜晶体选择性气体传感器、光电器件及其他应用领域发挥重要作用。

5、纳米金属材料

如果把金属纳米颗粒制成块状金属材料，它会变得十分结实，强度比一般金属高几十倍，同时又可以像橡胶一样富有弹性。

如果用纳米钢材和纳米铝材料制造汽车、飞机和轮船，会使它们的质量减少90%，会使一辆摩托车的质量变成只有兼具金属性和非金属性，强度比钢高100倍，密度却只有钢的六分之一，用这样轻柔而又非常结实的材料做防弹背心，是最合适不过的了。

6、医学、生物工程的应用

如果用数层纳米粒子包裹的智能药物进入人体后，可主动搜索并攻击癌细胞或修补损伤组织；在人工器官外面涂上纳米粒子，可预防移植后的排异反应；另外，还可研制疾病早诊断的纳米传感系统。

我国武汉理工大学李世谱教授研究发现，有些纳米材料可以杀死癌细胞。

四川大学李玉宝教授研制出一种用纳米材料制成人工眼球，这种眼球不仅可以像真眼睛一样同步移动，也可电脉冲刺激大脑神经“看到”精彩世界，这一技术目前在世界处于领先地位。

二、纳米四氧化三铁的制备方法研究

1、纳米四氧化三铁材料的概述

四氧化三铁属立方晶系，反尖晶石结构，具有优良的磁学特征，使其在磁存储材料、微波吸收、特种涂料、药物靶向引导、磁多功能符合材料、催化剂及生物工程等方面有重要的应用。

尤其是近年来磁存储材料的存储密度迅速提高，磁性材料的超顺磁性以及磁影响性受到了人们的格外关注。

同时，合成具有生物安全性的磁性Fe3O4纳米粒子，因其在细胞分离、靶向药物、磁共振成像和磁热疗等生物医学领域广阔的应用前景而成为研究热点之一。

2、影响因素

影响纳米Fe3O4性能的主要因素包括超顺磁性、矫顽力、磁饱和量、结晶度以及粒径和形貌等。

此外，Fe3O4的制备方法对其性能和适用领域有着巨大影响。

3、纳米Fe3O4的制备方法

目前用于制备纳米Fe3O4的方法主要有物理方法和化学方法。

采用物理方法制备的纳米Fe3O4微粒一般产品纯度低、颗粒分布不均匀，有时对制备设备要求还特别高，而且生成的Fe3O4纳米微粒很容易被氧化，形貌也不一，所以一般不采用。

化学方法获得的微粒质量较好，这里着重介绍几种方法。

3.1、沉淀法

沉淀法是目前使用最广泛的方法，其反应原理是：

Fe2++2Fe3++8OH-→Fe3O4+4H2O

常用实验制备方法为：

将Fe2+和Fe3+的氯化物或硝酸盐溶液以一定比例混合后（一般物质的量比为1︰2或2︰3），用过量的NH3·H2O或NaOH等碱性溶液作为沉淀剂，在一定的温度和pH值下，高速搅拌进行反应，高速离心或磁分离得到沉淀，将沉淀洗涤、干燥，得到纳米级Fe3O4微粒。

作为一种相当成熟的方法，，目前的研究工作主要围绕在精确调节实验条件以及得到特殊形貌的产物等方面。

Zhao[1]等通过比较实验，发现在Fe2+和Fe3+比例为2︰3并加热至50℃，在PEG4000作为表面活性剂的时候采用氨水作为沉淀剂，以6~8滴/分钟的速度将pH值调到11，可以得到粒径在5~20nm的适合药物包裹的四氧化三铁纳米颗粒。

马千里、董相廷[2]等教授用PEG20000作为表明活性剂，氨水作为沉淀剂，在50℃下制备了粒径为8~10nm的Fe3O4纳米微粒，其形状为球形且分散性良好。

其具体形貌见图1。

沉淀法特点是设备简单，反应条件温和，原料价格低廉，工艺流程短，易于工业化生产；反应过程中成核容易控制；一般产物粒径较小且为球形，方便在其表面修饰功能基团。

但此方法要求各组分水解和沉淀条件相近，具有一定局限性，且反应温度、反应物浓度、铁盐的类型、沉淀剂的种类及加入方式、反应终点pH值等对粉末粒径和磁学性能有影响。

在碱性条件下，二价铁易氧化为三价，因而产物中Fe2+和Fe3+的比例难以控制为1︰2，致使出现杂项。

这些因素都必须严格控制，否则可能出现产物不纯、团聚、氧化等现象，使磁学性能降低。

3.2、溶胶-凝胶法

该法将Fe2+和Fe3+溶液按摩尔比1︰2混合后，加入一定量有机酸，调节适当的pH值，缓慢蒸发形成凝胶，经热处理除去有机残余物，然后高温处理获得产物。

溶胶-凝胶法的反应历程见图2。

周洁[3]通过控制反应体系中OH-和Fe2+的浓度，制备出不同尺寸的颗粒。

Tang等利用溶胶-凝胶法制备了Fe3O4磁性薄膜。

如图：

溶胶-凝胶法制备过程温度相对较低，节省能源；颗粒的纯度分布范围较窄，均匀性好，产物纯度高，可以制备有机/无机杂化复杂材料。

但该法的制备条件不易控制，所用原料多数是有机化合物，成本高且对人体有伤害，处理时间长，凝胶颗粒间烧结性不好，干燥时收索大。

3.3、微乳液法

微乳液是由油、水、表面活性剂组成的透明、各向同性、低粘度热力学稳定体系。

其中不溶于水的非极性物质作为分散介质，反应物水溶液为分散相，表面活性剂为乳化剂，形成W/O或O/W型微乳液。

Mira等在AOT-H2O-正庚烷体系中，一种乳业中含有0.15mol/L和0.3mol/LFeCl3，另一中体系中含有NH4OH，混合两种微乳液，产物经离心，用庚烷、丙酮洗涤并干燥得到4nm的Fe3O4颗粒。

Zhang等将FeCl3·6H2O，NaS2O3·6H2O和尿素组成的混合水溶液加入到混有十二烷基苯磺酸钠和正戊醇的环己烷溶液中搅拌形成W/O型微乳液。

在水热釜中加热到160℃保持12h，得到粒径为200~400nm的Fe3O4颗粒，如图4。

用该法制备纳米粒子的实验装置简单，能耗低，操作容易，具有以下明显优点：

①粒径分布较窄，粒径可控；②选择不同的表面活性剂修饰微粒表面，可获得特殊性质的纳米微粒；③粒子的表面包裹一层（或几层）表面活性剂；④粒子表层类似于“活性膜”，该层基团可被相应的有机基团取代；⑤表面活性剂对纳米微粒表面的包覆，改善了纳米材料的界面性质，显著改善了其光学、催化及电流变等性质。

三、展望

作为一种早已被广泛研究的物质，四氧化三铁的制备方法已经比较成熟。

目前人们已经用上述方法成功制备出四氧化三铁纳米颗粒、纳米棒、纳米膜、纳米纤维以及四面、八面、十二面、十八面等纳米晶。

将传统方法结合是今后新型、高性能磁性多功能纳米材料制备方法的一个重要发展方向。

此外，如何实现大规模工业生产纳米Fe3O4材料，有待深入研究。

纳米材料必将成为21世纪的大放异彩的“明星”，在新材料、能源、信息、生命科学等领域大显身手，给人们带来福音。

四、参考文献

[1]ZhaoYB,QiuZM,HuangJY.PreparationandanalysisofFe3O4magneticnanostructure[J].Mater.Charact.2010,61（4）;489-492.

[2]马千里、董相廷、王进贤.纳米四氧化三铁的化学和制备方法研究进展[J].2012.1000-6613

[3]周洁，马明，张宇，等。

不同尺寸Fe3O4磁性颗粒的制备和表征[J].东南大学学报.2005.35（4）：

615-618

[4]唐玄新.化学与人类文明.[M].上海科学技术出版社：

韩志如，2001.345-354