磁性顆粒Fe3O4的制備和應用分析

楊宏偉

[摘 要]磁性顆粒的制備，常常采用溶膠凝膠的方法獲得，通過改變各反應物濃度，制備不同尺寸的Fe3O4磁性顆粒，用X-射線衍射（XRD）、X-透射電子顯微鏡（TEM）、電子衍射 （ED）對不同大小顆粒進行了結構和形貌表征，運用了振動樣品磁強計 （VSM）對其進行磁學特性測量，這種方法能夠制備不同粒徑立方尖晶石結構的Fe3O4磁性顆粒，不同粒徑的Fe3O4顆粒形貌、磁性等性質均有所不同， 導致不同粒徑的Fe3O4顆粒的其他性質及其用途也不一樣，因此，制備不同尺寸Fe3O4磁性顆粒并對其特性進行研究成為令人關注的焦點。

[關鍵詞] 磁力；凝膠法；Fe3O4；磁性顆粒

一、磁料制備

通過實驗，將20mL的 KOH 溶液倒入燒瓶中攪拌，再將20mL的KNO3 溶液加入其中，充分攪拌后，將10mL的FeSO4溶液緩慢加入，反應溶液呈墨綠色，并產生一些絮狀物質.充分攪拌后移入90℃的水浴中陳4h，便可得到黑色Fe3O4凝膠溶液。將上述凝膠溶液置于磁場中分離出Fe3O4磁性顆粒，并采用去離子水清洗3～4遍，將清洗好的Fe3O4顆粒在常溫下真空干燥，得到黑色Fe3O4粉末。用TEM觀察生成Fe3O4顆粒形貌，用電子衍射和XRD測量其晶體結構，用VSM測量其磁性。

二、實驗及分析

1.Fe3O4 磁粒微結構分析： 實驗過程中，通過分別改變反應物KOH和FeSO4 濃度比得到粒徑不同的Fe3O4磁性顆粒，對不同濃度下制備得到的Fe3O4磁性顆粒進行TEM表征，可以得出：隨著濃度變化， 顆粒尺寸得到了很好的控制， 隨著粒子尺寸增大，粒子逐漸呈球形，但是尺寸均一性變差，尺寸分布較寬。

由圖1、圖2可以算出此樣品各個衍射環(huán)對應的晶面間距d ，從而可以判斷出樣品的晶體結構，不同的d代表不同的晶面結構.由XRD譜圖中衍射峰對應的衍射角θ，并利用2dsinθ=nλXRD算出樣品的晶面間距d，λ是 X-射線波長， n為整數。將計算得到的d，與Fe3O4晶面間距理論值d進行比較，二者的結果符合得很好，表明此樣品是立方尖晶石結構Fe3O4 ，對其他樣品分析得到了類似ED照片和XRD譜圖，因此可以推出它們都是立方尖晶石結構的Fe3O4。

2.各化學成分量對Fe3O4 磁粒粒徑的影響：實驗中采用典型溶膠凝膠法制備Fe3O4磁性顆粒，反應機理是先將FeSO4 溶液與KOH溶液相混合，生成Fe（OH）2凝膠， 然后加入KNO3溶液， 這時凝膠內有很多非常細小的Fe3O4粒子生成，由于凝膠網絡關系，這些粒子既無明顯的生長也不聚沉，當這些一級粒子積累了相當多以后， 凝膠網絡也部分溶解，突然開始聚沉成簇，這些簇包含一定數量的一級粒子 ，并作為二級粒子核，團聚鄰近的粒子，而余下未溶解部分凝膠網絡則阻止隔離二級粒子聚沉，從而形成單分散球形 Fe3O4粒子，因此溶液中反應物濃度會影響生成Fe3O4粒徑大小.由 C（Fe2+）和 C（OH-）分別過量反應時生成Fe3O4磁性顆粒分布，可見當過量的Fe2+濃度為15mmol/L時， Fe3O4顆粒粒徑為最大，大約1388nm， C（Fe2+）過量越多得到的Fe3O4顆粒粒徑越小。產生這一現象的原因是：當C（OH-）過量時，過量OH-吸附剛剛生成的一級粒子，電荷排斥力阻止了粒子進一步長大，因此隨著過量OH-的濃度逐漸增大，生成Fe3O4顆粒的粒徑逐漸減小，當 C（Fe2+）逐漸過量，反應體系的pH 值接近Fe3O4顆粒在90℃下的等電點時，生成一級粒子表面的凈電荷為零，粒子之間斥力最小，所以一級粒子很容易聚集成團而生成大的顆粒，但隨著Fe2+濃度的進一步增大，反應體系的pH 值進一步下降 ，顆粒表面凈電荷增加，顆粒表面斥力隨之增加， 顆粒粒徑也逐漸減小。

3.生成物Fe3O4 顆粒磁性比較：采用VSM測量了制品不同尺寸的磁滯回線，得到了各樣品飽和磁化強度（MS）、剩磁（MR）和矯頑力（HC）數據，隨著粒子Fe3O4尺寸增大，HC值減小。當Fe3O4的粒徑小于80nm時為單疇粒子；當顆粒尺寸大于單疇臨界尺寸時為多疇結構，H C較小。隨著粒徑逐漸減小，由于表面缺陷和表面疇對疇壁位移的阻滯或釘軋效應隨粒徑減小而增大， HC逐漸增大。隨著粒徑進一步減小，接近和達到單疇臨界尺寸。不同尺寸Fe3O4磁性顆粒制備和表征時，HC繼續(xù)增大，最終在40～50nm 處達到最大，這與觀察到的實驗結果相符合。

三、結語

用溶膠凝膠法制備粒徑不同的Fe3O4磁性顆粒， 顆粒分布在35～1300 nm 之間，通過控制反應物中Fe2 +和OH-的濃度可以控制生成的Fe3O4顆粒尺寸。當溶液中 Fe2+與OH-正好和C（OH-）過量時， Fe3O4顆粒粒徑在40～50nm左右，當C（Fe2+）過量4～5mmol/L時，顆粒粒徑在60～80nm 左右；當C（Fe2+ ）過量3～3.5mmol/L時，顆粒粒徑在280～420 nm 左右；當C（Fe2+）過量很多時，顆粒粒徑會增大到微米級.采用透射電子顯微鏡觀察其形貌可發(fā)現：在粒徑小于300nm時，納米顆粒呈方形，隨著粒徑變大，顆粒呈球形。采用振動樣品磁強計發(fā)現Fe3O4粒子矯頑力（HC）有明顯尺寸依賴性。

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