α-Fe2 O3納米粒子應用的研究進展

張 立 楊 瑩

安慶醫藥高等專科學校藥學系 安徽 安慶 246052

三氧化二鐵(Fe2O3)為紅棕色粉末,分為有α、β、γ和ε四種類型,在不同條件下晶型之間會發生相互轉變[1]。其中α-Fe2O3呈穩定的三角晶系,化學性質以及熱力學性質穩定,此外還具有無毒、環境污染小、價格低廉、催化活性高等優點,因此α-Fe2O3納米粒子(α-FNPs)得到了廣大學者的廣泛關注和研究,已經逐漸被應用在顏料、催化、氣敏材料、鋰離子電池、磁性材料等領域。

1 在催化領域的應用

α-FNPs粒徑可以達到幾十納米甚至幾納米,具有高的比表面積,一般催化劑的粒度越小、比表面積越大,反應面積就越大,其反應速率和效率也就越大[2],因此在催化領域具有廣泛的應用前景。

楊敏敏等人[3]利用水熱法制備了α-FNPs超薄圓餅納米材料,材料表面具有大量活性位點,對陽離子型染料分子具有優良的可見光催化性能。Qiu等人[4]以Fe(NO3)3和CO(NH2)2為原料,通過微波輔助水熱法,在120℃的條件下加熱30 min制備得到了α-FNPs,其透射電子顯微鏡(TEM)像如圖1所示,從圖中可以看出,得到的α-FNPs粒徑均一,粒徑大約為5 nm,但是α-FNPs團聚現象明顯。他們利用所制備的α-FNPs分別對CO和2-羥基丙醇(CH3CH(OH)CH3)進行催化實驗,將其完全氧化為CO2。在CO的催化實驗中,催化溫度越高催化速率越快,當催化溫度為170℃時,催化效率達到100%。而在CH3CH(OH)CH3的催化實驗中,α-Fe2O3可以將CH3CH(OH)CH3有效地轉化成CO2,當溫度升高至180℃時,CO2開始生成,350℃時CH3CH(OH)CH3完全轉化為CO2,這說明α-FNPs具有較高的催化效率,并且將使用過的α-FNPs再進行X射線衍射(XRD)分析和TEM分析時發現α-FNPs的結構以及粒徑并未發生明顯改變,說明α-FNPs是一種穩定的、具有應有前景的催化劑。

圖1 α-FNPs TEM像[4]

2 在氣敏材料領域的應用

隨著科技的發展以及工業發展的要求,人們對氣敏元件的要求越來越高,因此需要不斷研究改良氣敏元件的性能。氣敏材料的工作原理為：在正常狀態下空氣中的O2通過物理或化學力吸附在由α-FNPs制成的氣敏材料表面,該過程中O2發生解離,其中O2為電子受體,接收電子后解離成O2-,O-,O2-,而氣敏材料表面為電子給體,給出電子后表面充滿正電荷,當待測氣體與氣敏材料表面接觸時,待測氣體與表面的氧負離子發生氧化還原反應使氧負離子被還原成O2,而使被俘獲的電子又回到氣敏材料表面使其電阻發生改變[5]。α-FNPs因滿足制備優異性能氣敏元件的要求,被廣泛的應用于氣敏材料領域。

Cuong等人[6]通過水熱法制備得到粒徑約為40 nm的α-FNPs,并將所得的產物制成氣敏元件,以測定α-FNPs的氣敏響應,通過改變氣體種類和氣體濃度來測定該氣敏元件的性能。實驗結果發現在300℃的作用溫度下,隨著CO濃度的增大,元件的響應越明顯；與其它測試氣體比較,氣敏元件展示了其對CO的響應明顯高于其它氣體,具有良好的選擇性；對其響應速度以及恢復速度的測試表明該氣敏元件有較快的響應速度并且能在幾分鐘的時間內恢復。以上結果表明以α-FNPs為原料制備的氣敏元件具有響應速度快、選擇性較好、恢復時間短等優點,在氣敏材料領域具有潛在的應用價值,可以應用于氣體檢測等方面。由于氣敏材料結構與形貌的改變對氣敏元件對氣體的響應產生影響,可以考慮以不同方法制備不同結構與形貌的α-FNPs為氣敏材料制備的元件對不同氣體響應的影響,因此α-FNPs在氣敏材料領域還具有很大的應用潛力。

3 在鋰離子電池領域的應用

研究表明蓄電池的性質不僅取決于其結構還取決于其電極組成的形貌,由納米粒子制成的材料具有塊狀材料所沒有的物理化學性質。目前,由納米棒、納米管以及花狀結構、枝杈狀結構的α-FNPs所制備的鋰離子電池都已得到研究[7-8]。

孫小磊[7]等為了減少α-FNPs聚集,提高分散性,在制備α-FNPs過程中引入了三嵌段共聚物P123。并在氮氣保護下進行熱處理,使α-FNPs表面的P123脫水轉變為無定形碳,最終制得碳膜全包覆的α-FNPs六方圓盤納米顆粒。以該材料作為鋰離子電池負極進行研究,結果表明,即便經過十次充放電循環,鋰離子電池比容量仍能達到首次容量的67%,具有優良的充放電保持性能。Wang等人[8]以FeCl3和溴化十六烷基三甲銨為原料,低溫水熱法制備了α-FNPs,其場發射電子掃描顯微鏡(FESEM)像如圖2所示,得到的α-FNPs呈菱形,平均粒徑大約為90 nm。他們將所得的α-FNPs制成活性陰極電極材料,在3.0～0.3 V的電壓下以不同電流密度對其進行測試,當電流密度為0.5 m A/cm2時,電池的最大放電容量為1090 m A h/g,當電流密度為1 m A/cm2時,電池的最大放電容量為980 m A h/g。

圖2 α-FNPs的FESEM像[8]

4 在磁性材料領域的應用

磁性納米粒子具有特殊的超順磁性,在磁記錄材料、巨磁電阻、磁光器件、磁探測器等領域具有廣泛的應用價值[9]。α-FNPs具有良好的硬度,可用作磁性材料和磁記錄材料,此外,人們借助α-FNPs低毒性以及小粒徑在人體內便于運輸的優點,將α-FNPs制成藥物載體,再經一系列處理后使其具有較強的磁性,通過靶向給藥系統,使藥物在人體或動物體內流動達到指定部位,達到提高藥物利用率、減少藥物使用量和提高治療精確度等效果。

Xu等人[10]以FeCl3和CO(NH2)2為原料,在沒有任何添加劑的條件下,通過簡單的乙醇/水體系制備出了4種不同形貌的α-Fe2O3并對其進行了磁滯測量,4種形貌分別為：花狀、紡錘狀、納米粒子、菱形,分別測量其剩磁(Mr)和矯頑力(Hc),測量數據分別為：1.2844 emu/g、28.2056 Oe；0 emu/g、0 Oe；0.02248 emu/g、109.49 Oe；0.1045 emu/g、307.7254 Oe。

5 在顏料領域的應用

當α-FNPs達到100 nm左右的粒徑時,其與光作用能夠產生小尺寸效應,因此表現出對可見光的散射能力很弱,使可見光基本上完全透過,呈現透明狀態,遮蓋力降低,對紫外線的吸收能力增強等現象。將α-FNPs分散在有機相中制成的漆膜具有透明的著色效果,而且α-FNPs具有耐酸耐堿、耐光及耐候性等優良性能,因此納米級α-Fe2O3顏料在高檔轎車車面漆、儀表外殼、木材著色等方面具有廣泛的應用。

盡管α-FNPs納米粒子在眾多領域已有許多用途,但對于它的研究從未停止。隨著α-FNPs納米材料制備方法的不斷發展和豐富,更多性能優良的α-FNPs納米粒子材料將被研究應用于更廣泛的領域。