室温固相法制备纳米Fe2O3

王桂萍，周建辉

(1.沈阳理工大学装备工程学院，辽宁沈阳110159;2.山西北方兴安化学工业有限公司，山西太原030003)

纳米氧化铁具有良好的耐候性、耐光性和磁性，对紫外线具有良好的吸收和屏蔽效应，可应用于闪光涂料、油墨、塑料、皮革、汽车面漆、电子、高磁记录材料、催化剂及生物医学工程方面［1］，在含能材料的应用方面研究也很多［2］。目前，纳米氧化铁的制备方法很多［3］，总体上可分为液相法、固相法和气相法［4-8］。为适于工业化生产，研究降低纳米氧化铁的制备成本、解决粒子团聚问题、制备出粒径均匀可控的纳米氧化铁颗粒的方法，具有重要意义。近年发展起来的室温固相法合成工艺简单［9-10］，成本低，并克服了由于中间步骤及高温反应所引起的诸如粒子团聚、晶化时间长、产物不纯、产率低等弊端，而且不使用溶剂、污染少、节省能源，为纳米粒子的合成提供了一种简易的新方法。本文研究纳米氧化铁的室温固相法的制备。

1 实验部分

1.1 纳米Fe2O3的制备

称量10.004g(0.036mol)FeSO4·7H2O放入研钵中，将其研磨成粉末后，再加入过量的NH4HCO3(6.802g(0.086mol))于研钵中，然后加入100mL表面活性剂OP-10做分散剂，在室温下研磨;研磨一段时间，反应物呈现红色油状，呈翻涌状;研磨完成后，向研钵中加入去离子水并抽滤，然后用大量去离子水洗涤沉淀至无SO2-4(用BaCl2检验滤液)。抽干沉淀物，用无水乙醇淋洗沉淀物2次，再将沉淀物抽干，得到深棕色沉淀;将沉淀物置于60℃的烘箱中干燥2h，在烘干过程中深棕色沉淀物逐渐变黄，最后得到黄色块状物，将黄色块状物研磨即得黄色粉末前驱物。将前驱物在马弗炉中灼烧2h制得产物纳米氧化铁。

1.2 纳米Fe2O3的表征

利用日本株式会社理学北京事务所生产的Rigaku Ultima IV型X射线衍射仪进行XRD表征。测试主要参数为:工作电压40kV，工作电流40mA;步长扫描，步长 0.02°;扫描范围10～80°(2θ);采用Cu靶 Kα 辐射(λ =1.54056Å)。测得数据利用Jade5.0衍射数据分析软件分析。利用NITACHI公司S-3400N型电子扫描显微镜对实验所得铁氧化物的微观形貌进行分析。放大倍数5～30万倍，工作电压20kV，分辨率3nm，工作距离10mm。

2 结果与讨论

2.1 研磨时间的影响

将 2 份 10.004g(0.036mol)FeSO4·7H2O，6.802g(0.086mol)NH4HCO3在100mL表面活性剂OP-10中分别研磨40min和90min，制得干燥的前驱物分别为2.17g和2.88g。研磨40min时反应物FeSO4·7H2O并没有完全反应，此时，加去离子水抽滤的滤液为墨绿色，说明还有亚铁离子没有反应。研磨1h后，静置2min溶液变为澄清，表明此时亚铁离子反应完全，没有沉淀继续产生。研磨90min，加去离子水抽滤的滤液为无色，最终得到干燥的前驱物2.88g，此前驱物主要是氧化铁及其水合物，表明FeSO4·7H2O的转化率较高。

图1 不同研磨时间终产物的SEM照片

不同研磨时间得到的前驱物在800℃灼烧2h，产物的SEM照片和XRD图见图1和图2。由图1可见，制得的两种粒子均为椭圆形，且分散性都很好;由图2可知，对比α-Fe2O3的标准衍射峰可确定这两种产物均为纯α-Fe2O3，根据样品的XRD衍射图使用软件Jade5.0计算得到颗粒度，研磨40min的产物平均粒径为23nm，研磨90min的产物平均粒径为26nm。可见，研磨时间对粒径影响不大。

2.2 灼烧温度的影响

将制得的前驱物分别在300℃，500℃，550℃和800℃灼烧2h，300℃所得产物的 XRD图和SEM照片见图3和图4。由图3可见，300℃灼烧的产物在2θ=36.5°和2θ=63°处出现了属于 γ-Fe2O3的主要衍射峰，所以300℃的灼烧产物为γ-Fe2O3，衍射峰较宽，表明样品结晶较差且粒径较小。由图4可见，样品的粒径很小，粒子的分散性不是很好。

图2 不同研磨时间终产物的XRD图

图3 300℃灼烧产物的XRD图

图4 300℃灼烧产物的SEM照片

500℃、550℃和800℃灼烧所得产物的XRD图和SEM照片见图5图和6。试验可见，温度对纳米氧化铁的颜色有一定影响，随着灼烧温度的升高，纳米氧化铁的颜色逐渐变浅。由图5确定，500℃、550℃和800℃灼烧前驱物所得产物均为纯α-Fe2O3;计算得出，500℃和550℃温度下的产物的平均粒径基本相同，为15nm左右;800℃的产物的平均粒径为25nm左右。由此可看出当温度达到500℃以后，Fe2O3的晶型不再发生变化，但随着温度的升高，粒子的粒径变大。由图6可见，不同温度下烧结的产物的微观形貌不同，800℃下烧结的产物粒子的分散性好于前两种样品，当烧结温度达到800℃时制备出的纳米氧化铁的磁性减弱，粒径增大，所以团聚现象减弱。

图5 不同温度下灼烧产物的XRD图

图6 不同温度下灼烧产物的SEM照片

3 结论

(1)以 FeSO4·7H2O和过量的 NH4HCO3为原料，聚乙二醇辛基苯基醚为表面活性剂，通过室温固相法制备前驱物，研磨时间越长，则反应时间越长，前驱物的产率越高，研磨90min，硫酸亚铁完全转化为产物;研磨时间对产物α-Fe2O3的粒径有一定影响，随着研磨时间的延长，纳米粒子的粒径增大。

(2)灼烧温度对产物的晶型和粒径有影响。300℃灼烧前驱体，得到产物为 γ-Fe2O3纳米粒子，产物的结晶性较差;在500℃、550℃、800℃灼烧前驱物得产物均为α-Fe2O3纳米粒子。随着温度的升高，纳米Fe2O3粒子的粒径增大。

［1］胡静，白红娟.纳米氧化铁的制备方法及其应用［J］.化工技术与开发，2010，39(12):34-39.

［2］马振叶，李凤生，陈爱四，等.Fe2O3纳米粒子的醋酸改性对其催化高氯酸铵热分解的影响［J］.材料科学与工程学报，2005，23(3):345-348.

［3］缪应菊，刘潍涓，刘刚，等.纳米氧化铁的制备工艺综述［J］.材料开发与应用，2009(2):73-75.

［4］Chen Jie，Wang Xiang，Qi Hong-ling，et a1.A simple solvothermal method to synthesize α-Fe2O3nanostructures［J］.Journal of Anhui Normal University(Natural Science)，2009，32(5):452-455.

［5］史培阳，张影，刘承军，等.溶剂热结晶法制备纳米氧化铁的工艺研究［J］.稀有金属材料与工程，2007，36(2):766-769.

［6］李珍，吴明红，顾建忠，等.电子束辐射技术制备纳米氧化铁［J］.高校化学工程学报，2006，20(3):481-484.

［7］徐锁平，朱广军.超声波均匀沉淀法制备纳米氧化铁［J］.涂料工业，2005，35(2):31-33.

［8］邱春喜，姜继森，赵振杰，等.固相法制备α-Fe2O3纳米粒子［J］.无机材料学报，2001，16(5):957-960.

［9］Li F，Zheng H，Jia D，et al.Syntheses of perovskitetype composite oxides nanocrystals by solid-state reactions［J］.Mater Lett，2002，53:282-286.

［10］金春飞，景苏，忻新泉.低热固态化学反应与材料合成［J］.无机化学学报，2002，18(9):859-870.