共沉淀-連續微反應法制備Fe3O4納米粒子

(1.深圳航天科技創新研究院深圳市復合材料重點實驗室，廣州深圳 518057；2.哈爾濱工業大學a.化學工程與技術博士后流動站；b.高分子科學與工程系，黑龍江哈爾濱 150001)

(1.深圳航天科技創新研究院深圳市復合材料重點實驗室，廣州深圳 518057；2.哈爾濱工業大學a.化學工程與技術博士后流動站；b.高分子科學與工程系，黑龍江哈爾濱 150001)

采用共沉淀-連續微反應法制備了Fe3O4納米粒子(1)，其結構和形貌經XRD和TEM表征。1具有很好的尖晶石結構，形貌均一，分散性好，尺寸分布窄，粒徑15 nm～20 nm。磁性測量結果表明，1具有超順磁性，飽和磁化強度為62.24 emu·g-1。

共沉淀；連續微反應法；Fe3O4納米粒子；制備

納米鐵氧體的制備方法和制備技術直接決定了納米鐵氧體的性能，從而進一步影響到器件的性能和經濟效益。尖晶石型鐵氧體的制備方法主要有機械球磨法［1-2］、共沉淀法［3-5］、水熱/溶劑熱法［6-7］、溶膠凝膠法［8-9］、回流法［10-11］等。其中，共沉淀法由于其工藝簡單、適用性強、產物純度高、粒子尺寸小、以及對設備、技術要求不高等優點，近年來被廣泛地應用于制備鐵氧體磁性納米顆粒。由于反應速度快，對傳質混合要求高，而反應釜單純的機械攪拌混合和分散強度低，其強化傳質使物料均勻混合的速度遠低于反應速度，攪拌強度也遠不足以分散已團聚的納米顆粒聚集體，致使所制備的納米鐵氧體存在嚴重的產物顆粒不均勻、尺寸分布寬、團聚嚴重、形貌難以控制等問題。

本文在共沉淀法的基礎上發展了一種共沉淀-連續微反應法，用該法制備了Fe3O4納米粒子(1)，其結構和形貌經XRD和TEM表征。1具有很好的尖晶石結構，形貌均一，分散性好，尺寸分布窄，粒徑15 nm～20 nm。磁性測量結果表明，1具有超順磁性，飽和磁化強度為62.24 emu·g-1。

為了驗證該微反應裝置的優點，采用相同條件下傳統的共沉淀法制備了Fe3O4納米粒子(1')，其結構和形貌經XRD和TEM表征。與常規共沉淀法比較，采用共沉淀-連續微反應法制備的1具有形貌均一，分散性好，尺寸分布窄等優點。1的飽和磁化強度大于1'(41.68 emu·g-1)。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

Philip X'Pert PRO SUPER型多晶X-射線衍射儀［Cu-Kα，λ=0.154 178 nm，掃描速度0.02°· s-1，掃描方式θ-2θ連動(10°～80°)，電壓40 kV，電流100 mA］；JEOL-2010型透射電子顯微鏡(加速電壓200 kV，樣品用超聲清洗機超聲分散到無水乙醇中形成均勻懸浮液，將其滴到涂有非晶碳膜的銅網上，空氣中擱置幾分鐘待溶劑揮發完全后備用)；BHV-55型振動探針式磁強計。

所用試劑均為分析純。

1.2 制備

(1)1的制備

將Fe(NO3)3·9H2O 24.24 g和 FeSO4· 7H2O 9.17 g用蒸餾水溶解得 3 L溶液 A (Fe2+∶Fe3+=1.1∶2.0)。將25%氨水100 mL和80%N2H4·H2O 50 mL用蒸餾水(2.85 L)稀釋得3 L溶液B。

啟動恒流泵，將溶液A和溶液B同時輸入圖1的微混合器中，快速混合均勻完成成核過程得到懸浮液；通入晶體生長槽中于80℃(浴溫)陳化5 h。用磁鐵把黑色固體粉末從溶液中分離，依次用蒸餾水和酒精洗滌數遍，于40℃真空干燥得黑色固體1。

(2)1'的制備

按1.2(1)方法制備溶液A和溶液B。劇烈攪拌下迅速混合溶液A和溶液B后于80℃(浴溫)陳化5 h。后處理同1.2(1)制得黑色固體1'。

(3)2的制備

分別用CoCl2·6H2O和Fe(NO3)3·9H2O代替Fe(NO3)·9H2O和FeSO4·7H2O，用1.2 (1)方法制備CoFe2O4納米微粒(2)。

圖1 微反應裝置示意圖*Figure 1 Schematic diagram of micro-reactor

2 結果與討論

2.1 表征

(1)XRD

1的XRD圖譜見圖2。對照標準JPCDS卡，其衍射峰分別對應于具有尖晶石結構的立方晶系鐵氧體 Fe3O4，完全符合標準卡片 JPCDS 16-0629，沒有其它雜質峰，衍射峰峰強，基線平整，說明1的結晶性很好。

圖2 1的XRD譜圖Figure 2 XRD pattern of 1

(2)TEM

圖3為1的TEM照片。從圖3可見，1為納米小球，粒徑在10 nm～20 nm，不團聚，分散性好。

圖3 1的TEM照片Figure 3 TEM picture of 1

2.2 與傳統共沉淀法比較分析

1'的TEM照片如圖4所示。與圖3比較可知，1'的分散性較差，粒徑分布不均勻，體現了采用該微反應裝置制備的納米粒子的分散性好、粒徑分布窄等優點。

與傳統共沉淀法比較，共沉淀-連續微反應法引入一個微反應器，利用微小通道及超強的傳質能力，將反應過程中的形核和生長過程進行分割并加以控制；在微混合器中，幾種反應液快速混合并均勻成核。采用該法制備的1分散性好，粒徑分布窄，體現出共沉淀-連續微反應法的優越性。

圖4 1'的TEM照片Figure 4 TEM picture of 1'

2.3 制備方法適用性研究

2的XRD譜圖和TEM電鏡照片分別見圖5和圖6。從圖5可見，其衍射峰完全符合JPCDS 22-1086卡片，沒有其它雜質峰。與圖2比較，2的衍射峰強度弱，基線也不平整，說明2的結晶性較差。從圖6看出，2的分散性很好，粒徑約為10 nm，但是粒子的邊緣較不清楚，說明結晶性不好，與XRD的結論吻合。可通過升高陳化溫度和延長反應時間來改善產物的結晶性。以上結果說明共沉淀-連續微反應法操作性強，適用范圍廣，可用來制備不同的尖晶石鐵氧體。

圖5 2的XRD譜圖Figure 5 XRD pattern of 2

圖6 2的TEM照片Figure 6 TEM picture of 2

2.4 磁性能研究

圖7為1和1'的室溫磁滯回線。從圖7可見，兩個樣品均未觀察到明顯的磁滯現象(矯頑力Hc=0和剩余磁化強度Mr=0)，說明粒子具超順磁性。這是由于1的尺寸很小，遠小于Fe3O4的臨界單疇尺寸(54 nm［12］)。1的飽和磁化強度為62.24 emu·g-1，磁性較好，大于1'的飽和磁化強度(41.68 emu·g-1)；兩者均小于Fe3O4塊體材料的飽和磁化強度(92 emu·g-1)，這由于粒子的小尺寸效應所致。

圖7 1和1'的磁滯回線Figure 7 Hysteresis loops of 1 and 1'

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共沉淀-連續微反應法制備Fe3O4納米粒子*

齊海萍1，2a，萬軍喜1，曹海琳1，黃玉東2b

Synthesis of Fe3O4Nanoparticles by Co-precipitation and Micro-reactor Method

QI Hai-ping1，2a， WAN Jun-xi1， CAO Hai-lin1， HUANG Yu-dong2b
(1.Shenzhen Key Laboratory of Composite Materials，Shenzhen Academy of Aerospace Technology，Shenzhen 518057，China；a.Chemical Engineering and Technology Post-doctorate Mobile Station；b.Department of Polymer Science and Engineering，2.Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China)

Fe3O4nano-particles(1)were successfully prepared by co-recipitation and micro-eactor method.The microstructure and morphology were inverstigated by XRD and TEM.The results showed that 1 exhibited uniform and fine nanocrystalline with diameter of about 15 nm～20 nm，better dispersion，particle size uniformity，and homogeneous morphology.Magnetic measurement indicated that 1 exhibited a superparanmagnetic property and has a saturation magnetization of 62.24 emu·g-1.

co-precipitation；micro-reactor；Fe3O4nano-particles；preparation

O614.81

A

1005-1511(2014)01-0114-03

2012-08-21；

2013-12-16

深圳市科技研發資金資助項目(JC201006020838A)

齊海萍(1984-)，女，漢族，貴州安順人，博士研究生，主要從事磁性材料的研究。

曹海琳，教授，E-mail:caohl@hit.edu.cn

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