生成条件对Fe3O4纳米颗粒粒径影响

【摘 要】用化学共沉淀法生成Fe3O4纳米颗粒，利用X射线衍射仪（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）分析手段研究二价铁离子和三价铁离子摩尔配比及溶液pH值对生成物成分、粒径的影响。结果表明，在不同条件下生成Fe3O4纳米颗粒，形状是球形。纳米颗粒粒径随铁离子摩尔配比增大逐渐增大。当溶液pH值变化，纳米颗粒粒径随pH值增大而逐渐增大。

【关键词】Fe3O4纳米颗粒 化学共沉淀法 粒径

【Abstract】In this paper， Fe3O4 superparamagnetic nanoparticles are prepared by chemical coprecipitation method. The ingredient， partical size and magnetic property of superparamagnetic nanoparticles with five different iron ion concentrations and three pH value are investigated by X-ray diffraction， scanning electron microscope. The results show that Fe3O4 and Fe2O3 were observed under different conditions of products. We can find that particles are sphere or ellipsoidal by SEM. In the process of preparation， the partical sizes of superparamagnetic nanoparticles are gradually increase with the rise of iron ion concentrations. The partical sizes of superparamagnetic nanoparticles are gradually increase with the gain of the pH value.

【Key words】Fe3O4 superparamagnetic nanoparticles； chemical coprecipitation method； partical sizes

Fe3O4[1]是常用的纳米颗粒，粒径可控，在生物医学[2， 3]、环境保护、磁性存储等领域具有广泛应用前景。Fe3O4颗粒制备方法有化学共沉淀法、水热法、机械球磨法及气相法等。化学共沉淀法具有制备工艺简单、生成颗粒性能优良等优点。纳米颗粒粒径尺寸主要受生成条件影响。本文采用化学共沉淀法制备Fe3O4纳米颗粒，通过改变不同铁离子摩尔配比，pH值观察其对粒径的影响。

1 实验

试剂FeCl3·6H2O，FeCl2·4H2O， NH3·H2O，C6H507（NH4）3 ，无水乙醇，柠檬酸等均为分析纯。仪器JA3103电子分析天平， KQ-50B超声波清洗器，JJ-1精密定时电动搅拌器，PK-98-1型电热恒温水浴锅。

步骤：（1）按Fe2+和Fe3+摩尔比称取FeCl2·4H2O和FeCl3· 6H2O。（2）将试剂混合加入三口烧瓶，加去离子水。（3）在氮气条件下，把三口烧瓶放入电热水浴锅加热，用电动搅拌器全速搅拌溶液，将水浴温度调至50℃开始加热。（4）滴入氨水，至溶液体系pH=11，待水浴温度上升至50℃并反应15分钟。（5）将水浴温度上升至80℃，电动搅拌器全速搅拌下恒温反应1小时。（6）反应结束，用强磁体分离黑色固体，用去离子水和无水乙醇交替洗涤至中性。（7）加入0.1mol/L的柠檬酸，超声波清洗器分散30分钟。

2 实验数据及讨论

2.1 铁离子摩尔比对产物结构和粒径的影响

如图1所示：不同铁离子摩尔比下生成纳米颗粒特征峰分别为（2 2 0），（3 1 1），（4 0 0），（4 2 2），（5 1 1），（4 4 0），说明所制备的产物均为Fe3O4纳米颗粒。

图1 不同铁离子摩尔比下生成产物的XRD图

当二价铁离子Fe2+和三价铁离子Fe3+的摩尔比分别为1：2，1：1，3：2，2：1，5：2时，随着二价铁离子所占比例的增大，生成磁性纳米颗粒的粒径呈现上升趋势。

2.2 pH值对产物结构和粒径的影响

不同pH值下生成纳米颗粒与不同铁离子摩尔比下生成产物特征峰位置一致，从XRD图谱可判定产物为Fe3O4纳米颗粒。Fe3O4颗粒形貌是球体，颗粒粒径随着pH值的增大逐渐增大。

2.3 讨论

化学共沉淀法反应的不同铁离子摩尔比Fe2+/ Fe3+理论值是1：2，但由于Fe2+易于氧化成Fe3+，所以实际中应提高Fe2+含量。由奥式熟化理论可知，溶液中较大粒子稳定且不易溶解，但因为纳米尺度范围中粒子溶解度随尺寸减小而增加，所以，当浓度达到大粒子溶解度时，小粒子还将继续溶解。于是，溶液中出现了大粒子不断生长而小粒子不断溶解的局面。随大粒子的生长，它们变得越来越稳定、越来越大。溶液pH值的大小反应溶液的酸碱性程度，酸碱性判断依据是溶液中H+和OH-浓度相对大小。当溶液pH值升高，溶液中OH-相对浓度增大，提供了更多OH-与Fe2+和Fe3+反应，提高Fe（OH）2和Fe（OH）3产量，从而使Fe3O4纳米颗粒产量提高。

3 结语

（1）随着Fe2+含量上升，生成Fe3O4纳米颗粒产量增加，纳米颗粒粒径增大。随着pH值上升，纳米颗粒粒径逐渐增大。（2）纳米颗粒饱和磁化强度与纳米颗粒粒径有关，随着纳米颗粒粒径增大，纳米颗粒饱和磁化强度降低。

参考文献：

[1] Deng Y， Qi D， Deng C， et al. Superparamagnetic high-magnetization microspheres with an Fe3O4@ SiO2 core and perpendicularly aligned mesoporous SiO2 shell for removal of microcystins[J]. Journal of the American Chemical Society， 2008， 130（1）： 28-29.

[2] Jin S， Leach J C， Ye K. Nanoparticle-mediated gene delivery. in Micro and Nano Technologies in Bioanalysis2009， Springer： 547-557.

[3] SCHMITZ S A， COUPLAND S E， GUST R， et al. Superparamagnetic iron oxide–enhanced MRI of atherosclerotic plaques in Watanabe hereditable hyperlipidemic rabbits [J].Investigative radiology， 2000， 35（8）： 460-471.

作者简介：王彬（1988—），男，青海省西宁人，研究生，研究方向：物理学。