CTAB微乳液的穩(wěn)定條件和普魯士藍(lán)類(lèi)納米粒子的制備

蔡紅蘭，胡娜娜，李曉珍，李儀茹

(魯東大學(xué) 化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院， 山東 煙臺(tái) 264025)

普魯士藍(lán)及其衍生物因具有電化學(xué)可逆性?xún)?yōu)良、穩(wěn)定性好、制備成本低等優(yōu)點(diǎn)，因而在電化學(xué)催化、化學(xué)修飾電極、電顯色、二次電池等方面[1-4]有廣泛的應(yīng)用前景。自Hashimoto 研究小組[5]發(fā)現(xiàn)含有堿金屬的 Co-Fe 普魯士藍(lán)類(lèi)配合物(Co-Fe PBA)具有光致磁性現(xiàn)象以來(lái)，最近幾年該類(lèi)配合物引起人們極大的關(guān)注。目前制備Co-Fe普魯士藍(lán)類(lèi)配合物方法主要有水溶液法、電化學(xué)沉積法以及微乳液法[6-10]，其中微乳法因具有操作簡(jiǎn)單、粒徑大小均勻、分布窄，粒徑可控等優(yōu)點(diǎn)[11]而成為近年來(lái)制備納米顆粒所采用的較為新穎的一種方法。由于不同微乳液體系的穩(wěn)定組成范圍不同，因此采用微乳法制備納米顆粒前有必要對(duì)微乳液的穩(wěn)定組成范圍進(jìn)行研究。本文通過(guò)濁度法繪制了CTAB(十六烷基三甲基溴化銨) /正丁醇/異辛烷/鐵氰化鉀溶液四組分體系的W /O 微乳區(qū)擬三元相圖，考察表面活性劑與助表面活性劑的質(zhì)量比對(duì)微乳液穩(wěn)定區(qū)組成范圍的影響，并在適宜實(shí)驗(yàn)條件下制備出Co-Fe 普魯士藍(lán)類(lèi)配合物納米粒子。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑和儀器

試劑：十六烷基三甲基溴化銨(天津市博迪化工股份有限公司)，異辛烷(天津市瑞金特化學(xué)品有限公司)，正丁醇(天津市瑞金特化學(xué)品有限公司)，無(wú)水乙醇(天津市瑞金特化學(xué)品有限公司)，CoCl2·6H2O(萊陽(yáng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)精細(xì)化工廠)，K3Fe(CN)6(中國(guó)沈陽(yáng)試劑一廠)，均為分析純?cè)噭囼?yàn)中均采用去離子水。

儀器：日本理學(xué)D/max2500VPC型轉(zhuǎn)靶X-射線粉末多晶衍射儀(XRD)，日本電子JEM–1230型透射電子顯微鏡，上海安亭DL80–2B型臺(tái)式離心機(jī)，金壇市恒豐79–1型磁力攪拌器。

1.2 微乳液穩(wěn)定區(qū)的確定

在25 ℃的恒溫水浴中，將CTAB與正丁醇分別按質(zhì)量比 1︰1、2︰3和 1︰2均勻混合，然后將每種組成的該混合液與異辛烷按一定比例混合均勻(混合物與異辛烷的質(zhì)量比分別為0.1, 0.2, 0.3, 0.4,0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9, 1)，在攪拌的條件下慢慢滴入0.1 mol/L鐵氰化鉀水溶液，觀察溶液由渾濁變澄清，再由澄清變渾濁，記錄此兩點(diǎn)間滴加的水量，繪制CTAB /正丁醇/異辛烷/鐵氰化鉀水溶液四組分體系在不同比例下的W /O微乳液相區(qū)擬三元相圖，考察CTAB與正丁醇質(zhì)量比對(duì)該微乳體系穩(wěn)定性的影響。

1.3 Co-Fe普魯士藍(lán)配合物納米粒子的制備

按照m(CTAB)/ m(正丁醇)= 1︰1，m( CTAB+ 正丁醇) / m(異辛烷)= 1︰1 的比例和鹽水的濃度為0.1 mol·L-1分別配制一定量的鐵氰化鉀微乳液和CoCl2微乳液，在 25 ℃的恒溫水浴中，在攪拌下逐滴將CoCl2微乳液加入到鐵氰化鉀微乳液中，反應(yīng)4 h后，取出樣品離心分離，并用乙醇和水充分洗滌，產(chǎn)品用無(wú)水乙醇分散，進(jìn)行TEM表征，將產(chǎn)物真空干燥后，進(jìn)行XRD表征。

2 結(jié)果與討論

2.1 鐵氰化鉀微乳液的穩(wěn)定區(qū)域

在對(duì)25 ℃ 時(shí)CTAB /正丁醇/水體系最大增容水量的研究中表明[12]，當(dāng)m ( CTAB) ︰m (正丁醇) >2︰1時(shí)，不能形成微乳液。當(dāng)二者的質(zhì)量比為 1︰3～1︰1時(shí)，該微乳體系有較大的溶水量，其中 m( CTAB ) ︰m (正丁醇) = 2︰3時(shí)，出現(xiàn)最大增溶水量，說(shuō)明此時(shí)界面膜具有較高的穩(wěn)定性。因此選擇該點(diǎn)附近的配比來(lái)研究比較微乳液W/O穩(wěn)定區(qū)域。改變CTAB與正丁醇的質(zhì)量比，以0.1 mol·L-1的鐵氰化鉀水溶液配制 CTAB /正丁醇/ 正辛烷/鐵氰化鉀溶液四元體系的微乳液，其 W/O 穩(wěn)定相區(qū)的擬三元相圖如圖1 所示。顯然，m ( CTAB) ︰m (正丁醇) 為1︰1時(shí)的穩(wěn)定區(qū)域> m ( CTAB) ︰m (正丁醇)為2︰3時(shí)的穩(wěn)定區(qū)域> m ( CTAB) ︰m (正丁醇) 為1︰2時(shí)穩(wěn)定區(qū)域，即m ( CTAB) ︰m (正丁醇) 為1︰1穩(wěn)定區(qū)域最大。考慮到表面活性劑的用量及制備所得納米材料的洗滌，在制備納米Fe-Co普魯士藍(lán)時(shí)選擇 m ( CTAB ) ︰m (正丁醇) = 1︰1，m( CTAB+ 正丁醇) ︰m (異辛烷) = 1︰1。

圖1 CTAB /正丁醇/異辛烷/鐵氰化鉀水溶液四元體系的W /O微乳液相圖Fig.1 Phase diagrams of W/O microemulsions of CTAB/n-C4H9OH /i-C8H18 /K3Fe(CN)6 systems ( 25℃)m ( CTAB ) ︰ m (n-C4H9OH ) = (a) 1︰1; (b) 2︰3; (c) 1︰2

2.2 納米Co-Fe普魯士藍(lán)配合物的表征

2.2.1 XRD表征

圖2為用0.1 mol?L-1的鐵氰化鉀和氯化鈷溶液，在 m ( CTAB ) ︰m (正丁醇) = 1︰1，m ( CTAB+ 正丁醇) ︰m (異辛烷) = 1︰1的W/O微乳體系中，鹽水溶液與 CTAB的摩爾比ω分別為 15和 20時(shí)制備的Fe-Co普魯士藍(lán)配合物的XRD圖。從圖2中可看出產(chǎn)物除了在2θ=23.3°有一個(gè)對(duì)應(yīng)于CTAB峰外，在2θ= 17.3°，24.5°，35.0°，39.3和43.3等位置附近出現(xiàn)產(chǎn)物的特征峰，分別對(duì)應(yīng)于Fe-Co普魯士藍(lán)配合物的(200)，(220)，(400)，(420)和(422)衍射面，這與文獻(xiàn)[13]報(bào)道符合，說(shuō)明產(chǎn)物為面心立方結(jié)構(gòu)。

XRD圖譜中出現(xiàn)CTAB的特征峰，這可能是因?yàn)槲挥凇八亍苯缑娴腃TAB 陽(yáng)離子跟帶負(fù)電荷的Co-Fe PBA 膠粒之間發(fā)生了配位作用，形成配合物。在該過(guò)程中發(fā)生配體向金屬離子的電子轉(zhuǎn)移[14]，使Fe的價(jià)態(tài)由+3變?yōu)?2價(jià)，產(chǎn)生了Fe?—CN—Co??化學(xué)鍵，最終導(dǎo)致產(chǎn)物為還原態(tài)的綠色[15]。

圖2 Co–Fe普魯士藍(lán)類(lèi)納米粒子的XRD圖Fig.2 The XRD of Co-Fe prussian blue analogue nanoparticles (a) ω = 15; (b) ω = 20

2.2.2 TEM表征

圖3為用0.1 mol?L-1的鐵氰化鉀和氯化鈷溶液，在 m ( CTAB )︰m (正丁醇) = 1︰1，m ( CTAB+正丁醇)︰m (異辛烷) = 1︰1的W/O微乳體系中，鹽水溶液與CTAB的摩爾比ω分別為15和20時(shí)制備的Co-Fe普魯士藍(lán)配合物的TEM圖。從圖中可看出兩種條件下所得樣品的顆粒粒徑大小均較為均勻，平均粒徑約在20～50 nm 之間。但相比較，ω=15的樣品形狀呈規(guī)則的立方形(圖3(a))，ω=20的樣品雖基本呈立方形(圖3(b))，但部分邊界被球形化，菱角不分明(放大倍數(shù)高的圖3(c))。這可能是由于ω較小時(shí)，離子型表面活性劑CTAB在水／油界面形成緊密的堆積層，對(duì)微乳中產(chǎn)物的生長(zhǎng)起了較強(qiáng)的空間限制作用，從而呈形狀規(guī)則的立方形。但隨著ω值的增大，水池的尺寸變大，水核膜的剛度下降[16]，對(duì)顆粒形狀的限制作用減小，所以形成的產(chǎn)品形狀較不規(guī)則。

圖3 納米Co-Fe普魯士藍(lán)類(lèi)配合物的透射電鏡圖Fig.3 TEM micrograph of Co-Fe prussian blue analogue nanoparticles

3 結(jié) 論

(1) 通過(guò)濁度法繪制 CTAB/正丁醇/異辛烷/(0.1 mol K3Fe(CN)6水溶液)微乳液的相圖，確定該體系具有最大W/O微乳穩(wěn)定區(qū)時(shí)CTAB與正丁醇的最佳質(zhì)量比為1︰1。

(2) 選擇 m(CTAB+正丁醇)︰m(異辛烷) =1︰1，在最大微乳穩(wěn)定區(qū)條件下制得Co-Fe普魯士藍(lán)配合物納米材料。結(jié)果表明，在該條件下制備的納米粒子基本呈立方形，且分散性好，粒徑大小處于30～50 nm，且微乳液含水量大小對(duì)產(chǎn)品的形貌有影響。

［1］Seyed A. M. S, Nguyen N. T, Seyyed M. M. E, & Chan S. H.Amembraneless hydrogen peroxide fuel cell using Prussian Blueas cathode material [J]. Energy & Environmental Science,2012,5(8):8225-8228.

［2］Selvarani G, Prashant SK, Sahu AK, Sridhar P, Pitchumani S,Shukla A K.A directborohydride fuel cell employing PrussianBlue as mediated electron-transfer hydrogen peroxidereduction catalyst[J]. J Power Sources, 2008,178: 86–91.

［3］Liu Y, Chu Z Y, Jin W Q. A sensentivity-controlled hydrogenperoxide sensor based on self-assembled prussian bluemodifiedelectrode[J].Electrochem.Commun., 2009,11:484-487.

［4］Orellana M, Arriola P, Del Rio R, Schrebler R, Cordova R,Scholz F,Kahlert H. Chronocoulometric study of the electrochemistry of Prussian blue[J]. J Phys Chem B, 2005, 109: 15483－15488.

［5］Sato O, Iyoda T, Fujishima A, Hashimoto K. photoinduced magnetization of a cobalt-iron cyanide[J]. Science, 1996, 272:704-705.

［6］Bleuzen A, Lomenech C, Escax V, Villain F, Varret F. photoinduced ferrimagnetic systems in prussion blue analogues CIxCo4[Fe(CN)6]y(CI=alkali cation) 1. Conditions to observe the phenomenon [J]. J. Am.Chem. Soc., 2000, 122:6648-6652.

［7］Takashi Y., Naoki S, Yasushi U, Yasushi E. Photoreduction of Prussian Blue Intercalated into Titania Nanosheet Ultrathin Films [J]. J. Am.Chem. Soc., 2009, 131: 13196-13197.

［8］Escax V, Bleuzen A, Moulin C C, Villain F. Photo-Induced Ferrimagnetic Systems in Prussian Blue Analogues CxCo4[Fe(CN)6]y (C= Alkali cation).Part III. Efficiency of the process in cesium derivatives[J]. J. Am. Chem. Soc., 2001, 123: 12536-12543.

［9］Champion G, Escax V, Moulin C C, Bleuzen A, Villain F, Baudelet F,Dartyge E, Verdaguer M. Photoinduced Ferrimagnetic Systems in Prussian Blue Analogues CIxCo4[Fe(CN)6]y (CI = Alkali Cation). 4.Characterization of the Ferrimagnetism of the Photoinduced Metastable State in Rb1.8Co4[Fe(CN)6]3.3?13H2O by K Edges X-ray Magnetic Circular Dichroism [J]. J. Am. Chem. Soc., 2001,123: 12544-12546.

［10］Frye F A, Pajerowski D. M, Park J-H, Meisel M W, Talham D R.Anisotropic Photoinduced Magnetism in Thin Films of the Prussian Blue Analogue AjCok[Fe(CN)6]l?nH2O[J]. Chem.Mater., 2008, 20: 5706-5713.

［11］黃英強(qiáng)，黃溢彬，張勝來(lái)，費(fèi)世東，劉英菊. 普魯士藍(lán)類(lèi)納米粒子的合成及其在雙氧水檢測(cè)中的應(yīng)用[J].廣東化工，2010,8(37):157-158.

［12］侯長(zhǎng)軍，范小花，霍丹群，刁顯珍，董亮，唐一科,范瑛．CTAB反相微乳液的穩(wěn)定條件與納米 WO3的制備[J]．應(yīng)用化學(xué)，2007,24(4):401-405.

［13］Xu J F, LiuH, Du X L, Fang J, Zhao J H, Shen W G. Magnetic Properties of NaKCoFe Prussian Blue Analogues Nanoparticles [J].Chinese J. Inorg. Chem. ,2010, 26(6): 946-950.

［14］Yamada M, Arai M, Kurihara M, Sakamoto M, Miyake M. Synthesis and isolation of cobalt hexacyanoferrate/chromate metal coordination nanopolymers stabilized by alkylamino ligand with metal elemental control [J]. J. Am. Chem. Soc., 2004, 126: 9482-9483.

［15］Fang J, Du X L,He J M, Tian L,Ye B J, Zhao J H, Shen W G. Synthesis of Filmy Prussian Blue Analogous Nanomaterials by Reverse Microemulsion Method [J]. Acta Chimica Sinica (Huaxue Xuebao),2007, 65(22):2639-2643.

［16］潘海敏，楊伯倫，李萌萌，李國(guó)智，賀擁軍．基于相圖法的W/O型微乳液體系穩(wěn)定性分析[J]．高校化學(xué)工程學(xué)報(bào)，2006(5)：679-684.