氧化鐵納米材料的制備、表征及磁性研究

杜慶波

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)化工學(xué)院,徐州 221116)

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氧化鐵納米材料的制備、表征及磁性研究

杜慶波

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)化工學(xué)院,徐州 221116)

采用水熱法，以三氯化鐵為鐵源，以聚乙烯吡咯酮(PVP)和十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)為表面活性劑，合成了α-Fe2O3納米棒和納米立方體，并用X-射線衍射儀(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)和磁學(xué)測(cè)量系統(tǒng)(SQUID-VSM)對(duì)其進(jìn)行了表征。結(jié)果：以PVP為表面活性劑所制備的α-Fe2O3納米材料為平均直徑約為70 nm，長(zhǎng)度約300 nm納米棒，以CTAB為表面活性劑所制備的α-Fe2O3納米材料為邊長(zhǎng)700 nm 的準(zhǔn)立方體，而不加表面活性劑所制備的樣品的為無形貌的氧化鐵納米材料；其室溫磁化強(qiáng)度和矯頑力分別為Mr 0.07 emu/g, Hc 2300 Oe; Mr 0.2 emu/g, Hc 3600 Oe; Mr 0.15 emu/g, Hc 3100 Oe。結(jié)論：表面活性劑對(duì)樣品的形貌和磁性具有重要影響。

α-Fe2O3; 納米材料; 水熱法; 磁學(xué)性能

1 引 言

半導(dǎo)體納米材料，由于其形貌和尺寸決定的特殊性能，已經(jīng)開始在全球范圍內(nèi)引起廣泛關(guān)注[1,2]。近年來，科研人員對(duì)控制納米材料的形狀和材料性質(zhì)及其形狀之間的關(guān)系的研究產(chǎn)生了濃厚的興趣。納米材料的形狀，和其尺寸一樣，在確定材料的獨(dú)特性能方面至關(guān)重要[3-6]。此外，納米材料的器件化很大程度上取決于材料的形貌，尺寸和性能。納米材料的形狀控制合成無疑是一個(gè)實(shí)驗(yàn)性的挑戰(zhàn)。已有科研人員報(bào)道了金屬和半導(dǎo)體納米材料的形狀控制的合成[7-10]。顯然，科研人員希望開發(fā)能夠合成形貌可控的，性能優(yōu)異的復(fù)雜金屬氧化物的方法。Marin Tadic 等[11]采用水熱法合成了氧化鐵納米顆粒，并對(duì)其磁性進(jìn)行了研究。S. Amala Jayanthi等[12]采用低溫水熱法，以相同的無毒無機(jī)鹽為原料合成了α-Fe2O3, γ-Fe2O3和Fe3O4磁性納米顆粒，并對(duì)產(chǎn)物的磁學(xué)性能進(jìn)行了研究。Manish K. Sinha等[13]采用簡(jiǎn)單的水熱法合成了多種形貌的氧化鐵納米材料，對(duì)產(chǎn)物的形成機(jī)理進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明合成的樣品具有弱的室溫鐵磁性。

在此，我們采用水熱法，使用聚乙烯吡咯烷酮和十六烷基三甲基溴化銨為表面活性劑，合成棒狀和準(zhǔn)立方體氧化鐵納米材料，并與不添加表面活性劑的樣品比較，研究表面活性劑對(duì)產(chǎn)物形貌的影響。此外，磁性研究表明，材料的磁化強(qiáng)度和矯頑力受其形貌和尺寸影響較大。具有不同形貌和尺寸的納米材料將在高密度信息存儲(chǔ)方面具有廣泛的應(yīng)用前景。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 試劑和儀器

試劑：三氯化鐵(分析純，國(guó)藥集團(tuán))，聚乙烯比咯烷酮(PVP,分析純，國(guó)藥集團(tuán))，十六烷基三甲基溴化銨(CTAB,分析純，國(guó)藥集團(tuán))，無水乙醇(分析純，國(guó)藥集團(tuán))，蒸餾水(實(shí)驗(yàn)室自制)。

儀器：XRD-6000粉末衍射儀(日本島津公司)， S-4800掃描電子顯微鏡(日本Hitachi 公司)，SQUID-VSM磁學(xué)測(cè)量系統(tǒng)(美國(guó)Quantum Design公司)，F(xiàn)RQ-1006HT超聲清洗器(杭州法蘭特超聲波科技有限公司)，TG16G高速離心機(jī)(湖南凱達(dá)科學(xué)儀器有限公司)，DZF-6021型真空干燥箱(江蘇揚(yáng)州市三發(fā)電子有限公司)。

2.2 Fe2O3納米材料的制備

稱取1 mmol的氯化鐵(FeCl3·6H2O)，分別與0.6 g PVP、0.6 g CTAB和不加表面活性劑，溶于30 mL蒸餾水中，在磁力攪拌下溶解。將溶液轉(zhuǎn)移至50 mL的聚四氟乙烯高壓釜中，放入烘箱中，在120 ℃加熱24 h。反應(yīng)結(jié)束后，過濾，用蒸餾水和無水乙醇各洗滌3次、離心，置于干燥箱中60 ℃干燥2 h，既得不同形貌的Fe2O3納米材料。

3 結(jié)果與討論

3.1 XRD分析

圖1是以不同表面活性劑合成產(chǎn)物的X射線衍射圖，產(chǎn)物的特征峰與α-Fe2O3標(biāo)準(zhǔn)圖譜( JCPDS No. 33-0664)完全一致, 沒有檢測(cè)到氧化鐵其他相的特征峰，表明產(chǎn)物純度較高，且結(jié)晶性良好。

圖1 不同表面活性劑合成的Fe2O3納米材料的XRD圖譜 A:PVP;B:CTAB;C:無表面活性劑Fig.1 XRD patterns of as obtained hematite nanomaterials with different surfactant A:PVP;B:CTAB;C:nonsurfactant

3.2 SEM分析

合成產(chǎn)物的表面形貌用掃描電子顯微鏡分析。圖2a 和b分別為以PVP和CTAB為表面活性劑合成的氧化鐵納米棒和納米準(zhǔn)立方體的掃描電鏡照片。從圖2a 可以看出，以PVP為表面活性劑所得產(chǎn)物為棒狀結(jié)構(gòu)材料，且產(chǎn)物分散性好，無團(tuán)聚現(xiàn)象，產(chǎn)物平均直徑約為70 nm，長(zhǎng)度約為300 nm。從圖2b可以看出，以CTAB 為表面活性劑所得產(chǎn)物為立方體狀材料，產(chǎn)物形貌規(guī)則，分散均勻，產(chǎn)物平均邊長(zhǎng)約為700 nm。圖2c 為在相同條件下，不添加表面活性劑所得產(chǎn)物的掃描電鏡照片，從圖2c可以看出產(chǎn)物為無規(guī)則形貌的納米材料。

圖2 以不同表面活性劑所的產(chǎn)物Fe2O3的掃描電鏡照片 (a)PVP;(b)CTAB;(c)無表面活性劑Fig.2 SEM images of the as prepared α-Fe2O3 nanomaterials with different surfactants (a)PVP;(b)CTAB;(c)nonsurfactant

3.2 磁性分析

圖3 室溫下以不同表面活性劑所得產(chǎn)物的磁滯回線Fig.3 Magnetization curves of the α-Fe2O3 nanomaterials with different surfactant measured at 300 K.

人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，納米α-Fe2O3的磁性能對(duì)材料的尺寸和形貌非常敏感[14]。為了研究制備的氧化鐵納米材料的磁學(xué)性能，我們采用磁性測(cè)量系統(tǒng)對(duì)制備的不同形貌的氧化鐵納米材料進(jìn)行表征。圖3為不同形貌產(chǎn)物在-25 KOe～25 KOe區(qū)間內(nèi)的室溫磁滯回線，從圖上可以看出，隨著外磁場(chǎng)的增大，產(chǎn)物的磁化強(qiáng)度也增大；且不同形貌的產(chǎn)物其剩余磁化強(qiáng)度和矯頑力也不同,納米棒、準(zhǔn)立方體和無形貌氧化鐵納米材料的剩余磁化強(qiáng)度和矯頑力分別為：0.07 emu/g, 2300 Oe; 0.2 emu/g, 3600 Oe; 0.15 emu/g, 3100 Oe。納米準(zhǔn)立方體的剩余磁化強(qiáng)度和矯頑力均大于納米棒和無形貌氧化鐵納米材料，這可能與共特殊形貌有關(guān)[15]。

4 結(jié) 論

本文采用水熱法，以三氯化鐵為鐵源，分別以PVP和CTAB為表面活性劑，并和不添加任何表面活性劑相比較，合成氧化鐵納米棒、納米準(zhǔn)立方體和無形貌納米材料。采用磁學(xué)測(cè)量系統(tǒng)對(duì)不同形貌產(chǎn)物的室溫磁滯回線進(jìn)行測(cè)試，研究表明，產(chǎn)物的形貌對(duì)其磁學(xué)性能有重要影響。不同形貌和尺寸的納米材料將在高密度信息存儲(chǔ)方面具有廣泛的應(yīng)用前景。

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Preparation,Characterization and Magnetic Properties of Iron Oxide Nanomaterials

DUQing-bo

(School of Chemical Engineering and Technology,China University of Mining & Technology,Xuzhou 221116,China)

Different morphology α-Fe2O3nanomaterials were successfully prepared by a facile hydrothermal method with PVP and CTAB as surfactant. The as obtained products were characterized by X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscope (SEM) and magneto-meter (SQUID-VSM) . The α-Fe2O3nanorods and nanocubes can be obtained when used PVP and CTAB as surfactant, respectively, but none-morphology α-Fe2O3nanomaterials were synthesized without any surfactant. The results show that the nanorods are 70 nm in diameter and 300 nm in length; the nanocubes are 700 nm in sides. The magnetic investigation shows that the synthesized α-Fe2O3nanorod, nanocubes and none-morphology nanomaterials exhibit ferromagnetic property with Mr and Hc 0.07 emu/g, 2300 Oe; 0.2 emu/g, 3600 Oe; 0.15 emu/g, 3100 Oe respectively, at room temperature.

α-Fe2O3;nanomaterial;hydrothermal method;magnetic property

自旋電子與納米材料安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題(2014YKF46)

杜慶波(1974-),男,講師,碩士.主要從事功能納米材料的合成、表征及應(yīng)用研究.

TB383

A

1001-1625(2016)09-2922-03