生成條件對Fe₃O₄納米顆粒粒徑影響

【摘 要】用化學共沉淀法生成Fe3O4納米顆粒，利用X射線衍射儀（XRD）、掃描電子顯微鏡（SEM）分析手段研究二價鐵離子和三價鐵離子摩爾配比及溶液pH值對生成物成分、粒徑的影響。結果表明，在不同條件下生成Fe3O4納米顆粒，形狀是球形。納米顆粒粒徑隨鐵離子摩爾配比增大逐漸增大。當溶液pH值變化，納米顆粒粒徑隨pH值增大而逐漸增大。

【關鍵詞】Fe3O4納米顆粒 化學共沉淀法 粒徑

【Abstract】In this paper， Fe3O4 superparamagnetic nanoparticles are prepared by chemical coprecipitation method. The ingredient， partical size and magnetic property of superparamagnetic nanoparticles with five different iron ion concentrations and three pH value are investigated by X-ray diffraction， scanning electron microscope. The results show that Fe3O4 and Fe2O3 were observed under different conditions of products. We can find that particles are sphere or ellipsoidal by SEM. In the process of preparation， the partical sizes of superparamagnetic nanoparticles are gradually increase with the rise of iron ion concentrations. The partical sizes of superparamagnetic nanoparticles are gradually increase with the gain of the pH value.

【Key words】Fe3O4 superparamagnetic nanoparticles； chemical coprecipitation method； partical sizes

Fe3O4[1]是常用的納米顆粒，粒徑可控，在生物醫學[2， 3]、環境保護、磁性存儲等領域具有廣泛應用前景。Fe3O4顆粒制備方法有化學共沉淀法、水熱法、機械球磨法及氣相法等。化學共沉淀法具有制備工藝簡單、生成顆粒性能優良等優點。納米顆粒粒徑尺寸主要受生成條件影響。本文采用化學共沉淀法制備Fe3O4納米顆粒，通過改變不同鐵離子摩爾配比，pH值觀察其對粒徑的影響。

1 實驗

試劑FeCl3·6H2O，FeCl2·4H2O， NH3·H2O，C6H507（NH4）3 ，無水乙醇，檸檬酸等均為分析純。儀器JA3103電子分析天平， KQ-50B超聲波清洗器，JJ-1精密定時電動攪拌器，PK-98-1型電熱恒溫水浴鍋。

步驟：（1）按Fe2+和Fe3+摩爾比稱取FeCl2·4H2O和FeCl3· 6H2O。（2）將試劑混合加入三口燒瓶，加去離子水。（3）在氮氣條件下，把三口燒瓶放入電熱水浴鍋加熱，用電動攪拌器全速攪拌溶液，將水浴溫度調至50℃開始加熱。（4）滴入氨水，至溶液體系pH=11，待水浴溫度上升至50℃并反應15分鐘。（5）將水浴溫度上升至80℃，電動攪拌器全速攪拌下恒溫反應1小時。（6）反應結束，用強磁體分離黑色固體，用去離子水和無水乙醇交替洗滌至中性。（7）加入0.1mol/L的檸檬酸，超聲波清洗器分散30分鐘。

2 實驗數據及討論

2.1 鐵離子摩爾比對產物結構和粒徑的影響

如圖1所示：不同鐵離子摩爾比下生成納米顆粒特征峰分別為（2 2 0），（3 1 1），（4 0 0），（4 2 2），（5 1 1），（4 4 0），說明所制備的產物均為Fe3O4納米顆粒。

圖1 不同鐵離子摩爾比下生成產物的XRD圖

當二價鐵離子Fe2+和三價鐵離子Fe3+的摩爾比分別為1：2，1：1，3：2，2：1，5：2時，隨著二價鐵離子所占比例的增大，生成磁性納米顆粒的粒徑呈現上升趨勢。

2.2 pH值對產物結構和粒徑的影響

不同pH值下生成納米顆粒與不同鐵離子摩爾比下生成產物特征峰位置一致，從XRD圖譜可判定產物為Fe3O4納米顆粒。Fe3O4顆粒形貌是球體，顆粒粒徑隨著pH值的增大逐漸增大。

2.3 討論

化學共沉淀法反應的不同鐵離子摩爾比Fe2+/ Fe3+理論值是1：2，但由于Fe2+易于氧化成Fe3+，所以實際中應提高Fe2+含量。由奧式熟化理論可知，溶液中較大粒子穩定且不易溶解，但因為納米尺度范圍中粒子溶解度隨尺寸減小而增加，所以，當濃度達到大粒子溶解度時，小粒子還將繼續溶解。于是，溶液中出現了大粒子不斷生長而小粒子不斷溶解的局面。隨大粒子的生長，它們變得越來越穩定、越來越大。溶液pH值的大小反應溶液的酸堿性程度，酸堿性判斷依據是溶液中H+和OH-濃度相對大小。當溶液pH值升高，溶液中OH-相對濃度增大，提供了更多OH-與Fe2+和Fe3+反應，提高Fe（OH）2和Fe（OH）3產量，從而使Fe3O4納米顆粒產量提高。

3 結語

（1）隨著Fe2+含量上升，生成Fe3O4納米顆粒產量增加，納米顆粒粒徑增大。隨著pH值上升，納米顆粒粒徑逐漸增大。（2）納米顆粒飽和磁化強度與納米顆粒粒徑有關，隨著納米顆粒粒徑增大，納米顆粒飽和磁化強度降低。

參考文獻：

[1] Deng Y， Qi D， Deng C， et al. Superparamagnetic high-magnetization microspheres with an Fe3O4@ SiO2 core and perpendicularly aligned mesoporous SiO2 shell for removal of microcystins[J]. Journal of the American Chemical Society， 2008， 130（1）： 28-29.

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[3] SCHMITZ S A， COUPLAND S E， GUST R， et al. Superparamagnetic iron oxide–enhanced MRI of atherosclerotic plaques in Watanabe hereditable hyperlipidemic rabbits [J].Investigative radiology， 2000， 35（8）： 460-471.

作者簡介：王彬（1988—），男，青海省西寧人，研究生，研究方向：物理學。