水熱法制備鈷摻雜的磁性納米顆粒的制備及表征

汪永麗，代學(xué)玉，于嬌嬌

(蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院 石油化學(xué)工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730060)

四氧化三鐵納米顆粒除了具有獨(dú)特的性能，還能通過(guò)摻雜某些離子而表現(xiàn)出特殊的如光、電、導(dǎo)體等性能，使其在更為廣闊的領(lǐng)域也有重要的應(yīng)用。

水熱法是指一般用水作為反應(yīng)介質(zhì)，在高壓釜里進(jìn)行反應(yīng)，高壓釜中的高溫、高壓環(huán)境，使得一般情況下較難溶或不溶的物質(zhì)溶解，進(jìn)一步反應(yīng)，最后重結(jié)晶而得到產(chǎn)物[1]。水熱法制備納米顆粒具有兩個(gè)特點(diǎn)：一是反應(yīng)溫度相對(duì)較高(120～260℃)，有利于磁性能的提高；二是整個(gè)反應(yīng)在封閉環(huán)境中進(jìn)行，反應(yīng)壓力相對(duì)較高(0.3～0.4MPa)，可避免有些組分的揮發(fā)。正因如此，水熱法成為制備納米材料的一種常見(jiàn)方法[2]。本文通過(guò)水熱法制備鈷摻雜的四氧化三鐵納米顆粒，制備得到粒徑分散均勻，磁響應(yīng)好的納米顆粒。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)試劑與儀器

實(shí)驗(yàn)試劑與儀器見(jiàn)表1、表2。

表1 實(shí)驗(yàn)所用試劑

表2 實(shí)驗(yàn)所用儀器

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

100mL二口燒瓶中加入40mL去離子水(提前除氧)，2.16g FeCl3·6H2O、1.112g FeSO4·7H2O和一定量的鈷摻雜離子，電動(dòng)攪拌10min，水浴加熱到60℃，滴加15 mL濃度為2mol/L氫氧化鈉溶液到上述溶液中，此時(shí)，反應(yīng)溶液由紅棕色變?yōu)楹谏玔3]，繼續(xù)攪拌40 min，然后升高溫度到90℃并停止攪拌，靜止陳化40 min。取40mL上述溶液置于50mL水熱釜中，將水熱釜置于160℃的電子恒溫干燥箱中，水熱反應(yīng)5 h，冷卻到室溫，通過(guò)外磁場(chǎng)作用磁性分離，用乙醇洗滌至中性，并超聲分散到無(wú)水乙醇中。

2 結(jié)果與討論

2.1 方法的選擇

目前，納米顆粒的制備有共沉淀法、水熱法、多元醇法等[4]，水熱法制備的產(chǎn)物具有較好的結(jié)晶形態(tài)，并可通過(guò)實(shí)驗(yàn)條件調(diào)控納米顆粒的形貌，因此選擇了水熱法制備了Co2+摻雜量為總Fe量的5%的四氧化三鐵納米顆粒。

2.1 產(chǎn)物的TEM表征及分析

水熱法制備的樣品粒徑均勻，顆粒較大，約為15～20nm，無(wú)明顯團(tuán)聚現(xiàn)象(見(jiàn)圖1)，這是因?yàn)樗疅釛l件下的高溫高壓環(huán)境使得納米顆粒進(jìn)行再次生長(zhǎng)，小納米顆粒溶解，大納米顆粒繼續(xù)長(zhǎng)大，最后長(zhǎng)成粒徑均勻，分散性較好的納米顆粒，磁響應(yīng)性良好。

圖1 水熱法制備鈷摻雜的四氧化三鐵納米顆粒TEM圖片

2.2 產(chǎn)物的原子吸收光譜表征及分析

以鈷空心陰極燈作為銳線光源，優(yōu)級(jí)純Co(NO3)2·6H2O溶液做為標(biāo)液，繪制Co(NO3)2·6H2O溶液濃度與吸光度之間的線性關(guān)系圖，如圖2所示：

圖2 Co(NO3)2·6H2O濃度與吸光度線性關(guān)系圖

回歸方程為：

y = 0.0039x + 0.042，(R2= 0.9966)

( 1)

( 2)

將水熱法制備摻雜Co2+的四氧化三鐵納米顆粒洗滌干凈后置于60℃真空烘箱干燥后稱取0.0027g，然后用1.0 mL 2.00mol/L的HCl超聲溶解并用去離子水定容至5mL容量瓶，經(jīng)450nm的微孔濾膜過(guò)濾[5]，測(cè)其吸光度值，根據(jù)公式( 1)可得Co含量，根據(jù)式( 2)可得其摻雜效率。

結(jié)果如表3所示：

表3 Co元素含量分析

2.3 結(jié)果與討論

根據(jù)透射電子顯微鏡和原子吸收光譜對(duì)產(chǎn)物的形貌和元素含量進(jìn)行表征，可知，水熱法制備的產(chǎn)物粒徑均勻，無(wú)明顯團(tuán)聚現(xiàn)象，Co2+摻雜的四氧化三鐵納米顆粒其摻雜效率較高，制備的四氧化三鐵納米顆粒對(duì)磁場(chǎng)響應(yīng)性好，實(shí)驗(yàn)條件的摻雜量沒(méi)有明顯影響磁性，為納米顆粒的改性奠定了一定的基礎(chǔ)。