不同表面活性劑對α-Fe₂O₃形貌和磁性的影響研究

謝小雪 方迎春 劉龍剛 杜慶波 尹輝

【摘 要】 本文采用水熱法，分別以聚乙烯吡咯烷酮（PVP）、十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）和脲（Urea）為表面活性劑，合成了球狀、立方體狀和棒狀的α-Fe2O3納米材料，利用XRD、FESEM和VSM對合成的α-Fe2O3納米材料的結構、形貌和磁性進行了表征。研究了這些表面活性劑對顆粒的結構、形貌和磁學性能的影響。結論說明：不同的表面活性劑對α-Fe2O3樣品的結構和形貌有影響，樣品的形狀各向異性影響赤鐵礦納米材料矯頑力的增強，實現了通過改變表面活性劑從而調控樣品磁性能的目標。

【關鍵詞】 α-Fe2O3;表面活性劑;形貌;磁性能

【中圖分類號】 TB383 【文獻標識碼】 A 【文章編號】 2096-4102（2021）02-0089-03

1引言

納米技術因其在納米尺度（10-9 m）上的新應用而引起了科學界的廣泛關注。氧化鐵由于其優異的性能和在各個領域的應用前景而受到廣泛的研究，如高效吸附劑去除污染物、生物應用和生物傳感器等。在鐵氧化物中，赤鐵礦（α-Fe2O3）納米粒子（HNPs）因其無毒、成本低廉，且為鐵的氧化物中熱力學最穩定的相，被廣泛應用于礦山酸性排水處理、光催化、鋰離子電池、生物能源、太陽能電池及建筑領域等。此外，α-Fe2O3對痕量金屬和類金屬具有很高的吸附能力。因此，它可用于某些環境污染物的分離，如：As和Cr，這些污染物可通過吸附固定到赤鐵礦表面。Djordje Trpkov等報道了無甘氨酸和甘氨酸輔助水熱合成由自組裝的赤鐵礦納米顆粒組成的微型超結構。樣品的X射線粉末衍射測量證實了赤鐵礦納米粒子具有良好的結晶性，顆粒形貌的計算分析表明，甘氨酸表面活性劑，赤鐵礦的層狀結構呈球形，粒徑較小;在甘氨酸存在下合成的樣品矯頑力增加了3倍，這些結果表明，赤鐵礦結構具有良好的磁性。Marin Tadic等采用水熱法合成了多種形貌的α-Fe2O3納米材料，采用XRD、FTIR、TEM、SEM和Raman光譜等多種方法對樣品進行了表征。研究了表面活性劑對粒子結構和形貌的影響，合成樣品的磁性能與其結構和形貌關系密切。

合成的α-Fe2O3樣品具有令人感興趣的顆粒形貌、結構和磁性。我們發現，表面活性劑是影響產物形貌和尺寸的關鍵因素。磁性測量表明，分別以PVP、CTAB和Urea為表面活性劑制備的α-Fe2O3樣品具有弱鐵磁性能，其中以PVP作為表面活性劑制備的α-Fe2O3樣品為微納米棒，由于形狀各向異性，矯頑力達3826 Oe。該合成路線簡單、降低了反應溫度，從而降低成本，可滿足大規模工業生產的需要。

2實驗部分

通過水熱法合成赤鐵礦樣品。稱取0.6g聚乙烯吡咯烷酮（PVP）、十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）、脲（Urea）各加蒸餾水30ml，在磁力攪拌下溶解后轉移至50ml聚四氟乙烯內襯高壓釜中，密封，在120℃反應24h。反應完成后，自然冷卻至室溫。將得到的濁液轉移到10ml塑料管中，離心，分別用無水乙醇和蒸餾水沖洗四次。在60℃干燥24小時后，備用。制備過程如圖1（a）- （c）所示。另取2mmol的氯化鐵（FeCl3），不加任何表面活性劑，在同樣條件下反應，制備的樣品作為對照品，制備過程如圖1（d）所示。

3結果與討論

3.1 α-Fe2O3的物相與形貌分析

用X射線粉末衍射（XRD）測定了樣品的結構和相組成，如圖2所示。

圖2表明存在單個α-Fe2O3相，未觀察到與其他氧化鐵相對應的衍射峰，并且觀察到的所有樣品的XRD圖譜都與菱面體晶體結構相匹配（JCPDS：33-0664）。

峰型尖銳表明所制備的α-Fe2O3樣品具有高結晶性。

利用掃描電鏡對樣品的形貌和尺寸進行了較詳細的研究。圖3顯示了采用水熱法，分別以聚乙烯吡咯烷酮（PVP）、十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）、脲（Urea）為表面活性劑，制備的α-Fe2O3樣品的FESEM圖像。圖3（a）顯示以PVP為表面活性劑，制備的PVP包覆的α-Fe2O3樣品的形態呈現球狀，尺寸分布均勻，直徑約600-700 nm。圖3（b）顯示CTAB包覆的α-Fe2O3樣品形態呈現準立方體狀，立方體邊長約700-800 nm，圖3（c）為Urea包覆的α-Fe2O3樣品形態呈棒狀，長度約400-600 nm。圖3（d）為不添加任何表面活性劑，在相同的實驗條件下制備的α-Fe2O3樣品形貌，樣品呈現無規則的形貌。因此，通過改變不同的表面活性劑，在其他實驗條件不變的情況下，可以控制α-Fe2O3樣品的大小和形狀。

3.2 α-Fe2O3的磁性能

本文中，樣品的磁性測量是在室溫（300k）下使用磁學測量系統（SQUID）進行的（如圖4所示）。

PVP包覆的α-Fe2O3納米材料的M（H）測量結果如圖4（a）所示。記錄的磁參數（Hc = 1158 Oe， Mr = 0.12 emu/g， Ms=0.59 emu/g）表明為軟磁特性材料。CTAB包覆的α-Fe2O3納米材料樣品的磁性能如圖4（b）所示，樣品的鐵磁性較弱，矯頑力Hc = 1063 Oe， Mr = 0.11 emu/g， Ms = 0.53 emu/g為軟磁性材料。Urea包覆的α-Fe2O3納米材料樣品的磁性能如圖4（c）所示，矯頑力Hc = 3826 Oe， Mr = 0.14 emu/g， Ms = 0.60 emu/g為軟磁性材料。相對于PVP和CTAB包覆的α-Fe2O3納米材料樣品，Urea包覆的α-Fe2O3納米材料樣品中，由于形狀各向異性，引入了額外的各向異性效應（形狀各向異性），從而增加了矯頑力。實驗結果說明：形狀各向異性在樣品的磁性能發展中起著至關重要的作用。

4結論

本文采用水熱法，分別以聚乙烯吡咯烷酮（PVP）、十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）、脲（Urea）、為表面活性劑，制備了α-Fe2O3微納米球、微納米立方體和微納米棒，對其物相、形貌和磁性能進行了研究，并和未添加任何表面活性劑制備的α-Fe2O3微納米材料相比較，結果發現，表面活性劑對產物形貌和磁性能有較大的影響，實現了添加不同的表面活性劑，得到不同形貌的α-Fe2O3微納米材料，從而實現形狀各向異性對樣品磁性能的調控，其中脲包覆的α-Fe2O3微納米棒矯頑力達到近4000Oe。這將對軟磁性材料的制備和磁性能的調控提供一個切實可行的方法。

【參考文獻】

[1]余文婷，張慧，馬君洋，等.硅藻土負載納米三氧化二鐵處理水中的As（Ⅴ）[J].水處理技術，2020，46（11）：31-34，40.

[2] Djordje Trpkov， Matja? Panjan， Lazar Kopanja， et al. Hydrothermal synthesis， morphology， magnetic properties and self-assembly of hierarchical α-Fe2O3 （hematite） mushroom-， cube- and sphere-like superstructures[J]. Applied Surface Science， 2018（457）： 427-438.

[3] Marin Tadic， Djordje Trpkov， Lazar Kopanja， et al. Hydrothermal synthesis of hematite （α-Fe2O3） nanoparticle forms： Synthesis conditions， structure， particle shape analysis， cytotoxicity and magnetic properties [J]. Journal of Alloys and Compounds， 2019（792）： 599-609.

[4] Fouad D E， Zhang C， Mekuria TD， et al. Effects of sono-assisted modified precipitation on the crystallinity， size， morphology， and catalytic applications of hematite （α-Fe2O3） nanoparticles： A comparative study[J]. Ultrason Sonochem. 2019，59（104713）：1-15.

[5] Shanigaram Mallesh， D. Narsimulu， Ki Hyeon Kim. High coercivity in α-Fe2O3 nanostructures synthesized by surfactant-free microwave-assisted solvothermal method[J]. Physics Letters A，2020，384（126038）：1-5.