共沉淀法磁性纳米Fe3O4粒子的制备及性能研究

谈昭君, 王毅, 刘静晨, 陈姣, 冯辉霞

（兰州理工大学 石油化工学院，甘肃 兰州 730050）

共沉淀法磁性纳米Fe3O4粒子的制备及性能研究

谈昭君, 王毅, 刘静晨, 陈姣, 冯辉霞

（兰州理工大学 石油化工学院，甘肃 兰州 730050）

采用共沉淀法，用NaOH沉淀Fe3+/和Fe2+混合溶液合成磁性纳米Fe3O4粒子，考察了n( Fe2+) /n ( Fe3+)的比例、反应温度对 Fe3O4纳米粒子磁性能的影响。采用红外光谱分析、X射线衍射、扫描电镜及振动磁强计对样品进行表征。研究结果表明，n( Fe2+) /n ( Fe3+)为1∶2，反应温度为60 ℃条件下得到磁性能最佳的Fe3O4纳米粒子。所制得的磁性Fe3O4纳米粒子纯度较高，形貌为规则球形，平均粒径为57 nm，其饱和磁强度为65.86 emu/g。

共沉淀；磁性；纳米Fe3O4粒子；磁性能

磁性纳米微粒是指大小在纳米尺寸的磁性材料。随着纳米技术的迅速发展,磁性纳米微粒应用广泛。磁性纳米 Fe3O4材料因其合成工艺简单，人们对其研究集中在合成方法与性能方面[1]。

共沉淀法是制备磁性纳米 Fe3O4材料常见方法之一。该法利用液相化学反应合成金属氧化物纳米磁性材料[2-6]。共沉淀法是指在有多种阳离子的溶液中加入一种沉淀剂，当发生沉淀反应后，可得到成分均一的沉淀[7,8]。共沉淀法，具体的方法是以含有一定摩尔比的Fe2+、Fe3+的混合溶液为反应液，用无机碱作为沉淀剂，将混合溶液中的Fe2+、Fe3+共沉淀出来，并将其转化为 Fe3O4，经处理得到磁性纳米Fe3O4材料[9]。

主要的反应为∶

2Fe3+(aq) + Fe2+(aq) + 8OH-(aq) → Fe3O4↓ + 4H2O

本文运用共沉淀法研究制备磁性纳米 Fe3O4材料的方法，研究各个反应条件对 Fe3O4磁性能的影响，并对其结构形貌进行表征分析。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

七水硫酸亚铁（天津市凯信化学工业有限公司）、六水三氯化铁（成都科龙化工试剂厂）、氢氧化钠（天津市德恩化学试剂有限公司）、无水乙醇（天津市巴斯夫化工有限公司），均为分析。

电热恒温水浴锅；增力电动搅拌器；电子天平；美国Nicolet公司Nicolet Nexus 670型红外吸收光谱仪；荷兰Panalytical公司X’Pert PRO X射线衍射仪(Cu靶Kα射，石墨滤波，λ为0.154 06 nm)；日本电子光学公司Jsm-6710F型冷场发射扫描电镜；美国Lake shore 公司735型振动饱和磁强度计。

1.2 磁性Fe3O4纳米材料的制备方法

1.2.1 共沉淀法的基本实验方法

共沉淀法具体实施：将Fe2+与Fe3+的硫酸盐和氯化物溶液以一定比例混合（一般摩尔比为1∶2或2∶3），用过量的氨水或氢氧化钠碱溶液作为沉淀剂，在隔绝氧气的环境中，一定温度和pH 值范围内，高速搅拌进 行反应。反应完毕后，经高速离心得到固体沉淀，将沉淀洗涤、干燥，即可得到纳米级Fe3O4粒子。

1.2.2 共沉淀法制备磁性纳米Fe3O4材料的方法

在250 mL三口烧瓶的反应器中，称取一定量的FeSO4·7H2O和FeCl3·6H2O，使 Fe2+/Fe3+=1∶2，将其溶于蒸馏水中，配制成混合溶液。将反应器置于60 ℃水浴，氮气下搅拌反应。通过恒压滴定漏斗将事先配好的氢氧化钠溶液滴加，pH值＞9，溶液颜色由黄棕色变成红棕，褐色，直至黑色Fe3O4生成。恒温反应一段时间后，用强磁铁收集，分离。分别用蒸馏水和乙醇洗涤黑色沉淀至滤液pH值为7。将其真空干燥，即得磁性纳米Fe3O4材料。

2 实验结果与分析

2.1 反应条件对纳米Fe3O4磁性能的影响

2.1.1 不同n(Fe2+)/n(Fe3+)比对Fe3O4纳米粒子磁性能的影响

表1为不同n(Fe2+)/n(Fe3+)比例对纳米Fe3O4磁性能的影响。

由表1可知，随着两种离子n(Fe2+)/n(Fe3+)的增大，产物中磁性材料的含量和其饱和磁强度呈下降趋势，且下降幅度相近。当n(Fe2+)/ n(Fe3+)=1∶2时，Fe3O4饱和磁强度最大。这是由于两种离子摩尔比增大，Fe2+离子含量增加，致使Fe3+离子被还原，产物中生成的 Fe3O4量减少，使得磁性材料的含量和饱和磁强度发生下降。因此，当 n(Fe2+)/n(Fe3+)配比为1∶2时，所制得的纳米Fe3O4磁性能最强。

表1 不同n( Fe2+)/ n( Fe3+)比制备Fe3O4的磁性能Table 1 Magnetic properties of the nano-Fe3O4synthesized at different Fe2+/ Fe3+rations

2.1.2 反应温度对Fe3O4磁性能的影响

表2为固定n( Fe2+)/ n( Fe3+)配比为1∶2和其他反应条件不变下，不同反应温度对Fe3O4纳米粒子磁性能的影响

由表2可知，随反应温度上升，磁性纳米Fe3O4材料的含量和饱和磁强度也增大。当反应温度升高到60 ℃时，磁性纳米Fe3O4材料的含量最大，饱和磁强度可达最高65.86 emu/g。当继续升温到80 ℃时，磁性材料的含量和饱和磁强度逐渐减小。这是由于两种离子Fe2+和Fe3+反应时，要跨越一定能级的分子势能壁垒，所以加热到适宜的温度才能进行反应。当超过这个温度时，反应温度过高会破坏Fe3O4的微观结构，致使磁性材料含量和饱和磁强度均开始下降。

表2 不同反应温度制备纳米Fe3O4的磁性能Table 2 Magnetic properties of the nano-Fe3O4synthesized at different temperatures

2.2 磁性Fe3O4纳米材料的表征

2.2.1 红外分析

如图1所示，为纳米Fe3O4红外吸收谱图。566.91 cm-1处的特征吸收峰为 Fe-O伸缩振动峰与文献相近[10]。3 421.16、1 623.80 cm-1处特征吸收峰为—OH键的伸缩振动和弯曲振动峰，这是由于 Fe3O4纳米粒子表面羟基形成缔合氢键形成了吸收峰。

图1 Fe3O4纳米粒子的红外吸收光谱Fig.1 FTIR spectra of Fe3O4nanoparticles

2.2.2 X射线衍射分析

图2是Fe3O4纳米粒子的X射线衍射分析图谱。由图2看出，选取的5个最强的特征峰(220)，(311)，(400)，(511)，(440)和标准的Fe3O4粉末衍射卡片基本一致，结果表明，产物纳米Fe3O4属单相立方晶型，产物纯度高。按照 Scherrer公式 d=kλ/βcosθ(k =0.89，λ= 0.15406，θ为布拉格衍射角，β为衍射峰的半高峰宽)，进行晶粒估算，取平均值，得出Fe3O4纳米粒子的平均粒径为57 nm。

图2 Fe3O4纳米粒子的XRD谱图Fig. 2 XRD patterns of Fe3O4nanoparticles

2.2.3 扫描电镜分析

图3为纳米Fe3O4粒子的扫描电镜图。图3(a)比例尺为5 μm，图3(2)比例尺为2 μm。从图中可看出，纳米 Fe3O4粒子大小比较均一，形状为球形，粒径约为50 nm。

图3 Fe3O4纳米粒子扫描电镜图Fig.3 SEM of Fe3O4nanoparticles

2.2.4 饱和磁强度分析

图4为磁性Fe3O4材料的磁滞回曲线。根据数据计算得到磁性Fe3O4材料的饱和磁强度为65.86 emu/g。矫顽力为5.1(Oe)，剩余磁强度为59.6(Oe)，与标准Fe3O4的磁饱和强度值近似。

本文制备的磁性 Fe3O4粉体的饱和磁强度高，是因为Fe3O4结晶度更高和晶格缺陷。

3 结束语

本文采用共沉淀方法合成了Fe3O4纳米粒子。研究了Fe2+/Fe3+摩尔配比、反应温度因素对Fe3O4纳米粒子磁性能的影响。得出Fe2+/Fe3+最佳摩尔比和反应温度的适合条件范围。当n(Fe2+)/ n(Fe3+)=1∶2、反应温度为60 ℃时，制得高纯度和高饱和磁强度的Fe3O4纳米粒子。

图4 Fe3O4纳米粒子磁滞回曲线Fig.4 Magnetization curves of Fe3O4nanoparticles

通过红外吸收、X射线衍射、扫描电镜及振动饱和磁强度测试等手段对产物的表征，可知波峰566.91 cm-1处存在Fe-O键，纳米Fe3O4粒子物相结构为单相立方结构，形貌为规则球形，平均粒径为57 nm，饱和磁强度为65.86 emu/g。

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Study on Co-precipitation Preparation and Properties of Magnetic Fe3O4Nanoparticles

TAN Zhao-jun, WANG Yi, LIU Jing-chen, CHEN Jiao, FENG Hui-xia
（School of Petrochemical Engineering, Lanzhou University of Technology, Gansu Lanzhou 730050, China）

The magnetic Fe3O4nanoparticles were prepared by co-precipitation of Fe2+and Fe3+with aqueous NaOH solution. The effect of ration of n(Fe2+)/n(Fe3+) and aging temperature on magnetic properties was investigated. The prepared Fe3O4nanoparticle was characterized with Fourier transform infrared(FTIR), X-ray diffraction(XRD), scanning electron microscopy(SEM) and vibrating sample magnetometry (VSM).The results show that magnetic Fe3O4nanoparticles with the strongest magnetism can be synthesized under the optimum conditions of n(Fe2+)/n(Fe3+) =1:2 and aging temperature 60 ℃.The obtained magnetic Fe3O4particles are spherical with high purity, average grain size of 57 nm and saturated magnetic intensity of 65.86 emu/g.

co-precipitation; magnetic ; Fe3O4nanoparticles; magnetic property

O 614

A

1671-0460（2015）09-2094-03

国家自然科学基金项目，项目号：51063003。

2015-03-18

谈昭君（1988-），女，甘肃白银人，硕士研究生，毕业于兰州理工大学应用化学专业，研究方向：从事功能材料研究工作。E-mail：13919947204@163.com。

冯辉霞（1966-），女，教授，博导，博士，化学功能材料，绿色化学。E-mail：fenghx@lut.cn。