氧化铁纳米材料的制备、表征及磁性研究

杜庆波

(中国矿业大学化工学院,徐州 221116)



氧化铁纳米材料的制备、表征及磁性研究

杜庆波

(中国矿业大学化工学院,徐州 221116)

采用水热法，以三氯化铁为铁源，以聚乙烯吡咯酮(PVP)和十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)为表面活性剂，合成了α-Fe2O3纳米棒和纳米立方体，并用X-射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和磁学测量系统(SQUID-VSM)对其进行了表征。结果：以PVP为表面活性剂所制备的α-Fe2O3纳米材料为平均直径约为70 nm，长度约300 nm纳米棒，以CTAB为表面活性剂所制备的α-Fe2O3纳米材料为边长700 nm 的准立方体，而不加表面活性剂所制备的样品的为无形貌的氧化铁纳米材料；其室温磁化强度和矫顽力分别为Mr 0.07 emu/g, Hc 2300 Oe; Mr 0.2 emu/g, Hc 3600 Oe; Mr 0.15 emu/g, Hc 3100 Oe。结论：表面活性剂对样品的形貌和磁性具有重要影响。

α-Fe2O3; 纳米材料; 水热法; 磁学性能

1 引 言

半导体纳米材料，由于其形貌和尺寸决定的特殊性能，已经开始在全球范围内引起广泛关注[1,2]。近年来，科研人员对控制纳米材料的形状和材料性质及其形状之间的关系的研究产生了浓厚的兴趣。纳米材料的形状，和其尺寸一样，在确定材料的独特性能方面至关重要[3-6]。此外，纳米材料的器件化很大程度上取决于材料的形貌，尺寸和性能。纳米材料的形状控制合成无疑是一个实验性的挑战。已有科研人员报道了金属和半导体纳米材料的形状控制的合成[7-10]。显然，科研人员希望开发能够合成形貌可控的，性能优异的复杂金属氧化物的方法。Marin Tadic 等[11]采用水热法合成了氧化铁纳米颗粒，并对其磁性进行了研究。S. Amala Jayanthi等[12]采用低温水热法，以相同的无毒无机盐为原料合成了α-Fe2O3, γ-Fe2O3和Fe3O4磁性纳米颗粒，并对产物的磁学性能进行了研究。Manish K. Sinha等[13]采用简单的水热法合成了多种形貌的氧化铁纳米材料，对产物的形成机理进行了研究，研究结果表明合成的样品具有弱的室温铁磁性。

在此，我们采用水热法，使用聚乙烯吡咯烷酮和十六烷基三甲基溴化铵为表面活性剂，合成棒状和准立方体氧化铁纳米材料，并与不添加表面活性剂的样品比较，研究表面活性剂对产物形貌的影响。此外，磁性研究表明，材料的磁化强度和矫顽力受其形貌和尺寸影响较大。具有不同形貌和尺寸的纳米材料将在高密度信息存储方面具有广泛的应用前景。

2 实 验

2.1 试剂和仪器

试剂：三氯化铁(分析纯，国药集团)，聚乙烯比咯烷酮(PVP,分析纯，国药集团)，十六烷基三甲基溴化铵(CTAB,分析纯，国药集团)，无水乙醇(分析纯，国药集团)，蒸馏水(实验室自制)。

仪器：XRD-6000粉末衍射仪(日本岛津公司)， S-4800扫描电子显微镜(日本Hitachi 公司)，SQUID-VSM磁学测量系统(美国Quantum Design公司)，FRQ-1006HT超声清洗器(杭州法兰特超声波科技有限公司)，TG16G高速离心机(湖南凯达科学仪器有限公司)，DZF-6021型真空干燥箱(江苏扬州市三发电子有限公司)。

2.2 Fe2O3纳米材料的制备

称取1 mmol的氯化铁(FeCl3·6H2O)，分别与0.6 g PVP、0.6 g CTAB和不加表面活性剂，溶于30 mL蒸馏水中，在磁力搅拌下溶解。将溶液转移至50 mL的聚四氟乙烯高压釜中，放入烘箱中，在120 ℃加热24 h。反应结束后，过滤，用蒸馏水和无水乙醇各洗涤3次、离心，置于干燥箱中60 ℃干燥2 h，既得不同形貌的Fe2O3纳米材料。

3 结果与讨论

3.1 XRD分析

图1是以不同表面活性剂合成产物的X射线衍射图，产物的特征峰与α-Fe2O3标准图谱( JCPDS No. 33-0664)完全一致, 没有检测到氧化铁其他相的特征峰，表明产物纯度较高，且结晶性良好。

图1 不同表面活性剂合成的Fe2O3纳米材料的XRD图谱 A:PVP;B:CTAB;C:无表面活性剂Fig.1 XRD patterns of as obtained hematite nanomaterials with different surfactant A:PVP;B:CTAB;C:nonsurfactant

3.2 SEM分析

合成产物的表面形貌用扫描电子显微镜分析。图2a 和b分别为以PVP和CTAB为表面活性剂合成的氧化铁纳米棒和纳米准立方体的扫描电镜照片。从图2a 可以看出，以PVP为表面活性剂所得产物为棒状结构材料，且产物分散性好，无团聚现象，产物平均直径约为70 nm，长度约为300 nm。从图2b可以看出，以CTAB 为表面活性剂所得产物为立方体状材料，产物形貌规则，分散均匀，产物平均边长约为700 nm。图2c 为在相同条件下，不添加表面活性剂所得产物的扫描电镜照片，从图2c可以看出产物为无规则形貌的纳米材料。

图2 以不同表面活性剂所的产物Fe2O3的扫描电镜照片 (a)PVP;(b)CTAB;(c)无表面活性剂Fig.2 SEM images of the as prepared α-Fe2O3 nanomaterials with different surfactants (a)PVP;(b)CTAB;(c)nonsurfactant

3.2 磁性分析

图3 室温下以不同表面活性剂所得产物的磁滞回线Fig.3 Magnetization curves of the α-Fe2O3 nanomaterials with different surfactant measured at 300 K.

人们已经认识到，纳米α-Fe2O3的磁性能对材料的尺寸和形貌非常敏感[14]。为了研究制备的氧化铁纳米材料的磁学性能，我们采用磁性测量系统对制备的不同形貌的氧化铁纳米材料进行表征。图3为不同形貌产物在-25 KOe～25 KOe区间内的室温磁滞回线，从图上可以看出，随着外磁场的增大，产物的磁化强度也增大；且不同形貌的产物其剩余磁化强度和矫顽力也不同,纳米棒、准立方体和无形貌氧化铁纳米材料的剩余磁化强度和矫顽力分别为：0.07 emu/g, 2300 Oe; 0.2 emu/g, 3600 Oe; 0.15 emu/g, 3100 Oe。纳米准立方体的剩余磁化强度和矫顽力均大于纳米棒和无形貌氧化铁纳米材料，这可能与共特殊形貌有关[15]。

4 结 论

本文采用水热法，以三氯化铁为铁源，分别以PVP和CTAB为表面活性剂，并和不添加任何表面活性剂相比较，合成氧化铁纳米棒、纳米准立方体和无形貌纳米材料。采用磁学测量系统对不同形貌产物的室温磁滞回线进行测试，研究表明，产物的形貌对其磁学性能有重要影响。不同形貌和尺寸的纳米材料将在高密度信息存储方面具有广泛的应用前景。

[1] Alivisatos A P.Semiconductor clusters,nanocrystals,and quantum dots[J].Science,1996,271(5251):933.

[2] Heath J R.Nanoscale materials[J].AccountsofChemicalResearch,1999,32(5):388-388.

[3] Mohammad H,Nasrin S,Miguel de la G.Iron and iron-oxide magnetic nanoparticles as signal-amplification elements in electrochemical biosensing[J].TrendsinAnalyticalChemistry,2015,72:1-9.

[4] Cai X,Lin H B,Zheng X W,et al.Facile synthesis of porous iron oxide rods coated with carbon as anode of high energy density lithium ion battery[J].ElectrochimicaActa,2016,191:767-775.

[5] Cheng W,Xu X Y,Wu F,et al.Synthesis of cavity-containing iron oxide nanoparticles by hydrothermal treatment of colloidal dispersion[J].MaterialsLetters,2016,164:210-212.[6] Song Z X,Liu W,Xiao P,et al.Nano-iron oxide (Fe2O3)/three-dimensional graphene aerogel composite as supercapacitor electrode materials with extremely wide working potential window[J].MaterialsLetters,2015,145:44-47.

[7] Zhou X,Wang C,Feng W,et al.Hollow α-Fe2O3quasi-cubic structures:Hydrothermal synthesis and gas sensing properties[J].MaterialsLetters,2014,120:5-8.

[8] Alp Y,ZüleyhaÖ K-A,Meltem S,et al.Fast deposition of porous iron oxide on activated carbon by microwave heating and arsenic (V) removal from water[J].ChemicalEngineeringJournal,2014,242:321-332.

[9] Wang F,Qin X F,Meng Y F,et al.Hydrothermal synthesis and characterization of α-Fe2O3nanoparticles[J].MaterialsScienceinSemiconductorProcessing,2013,16:802-806.

[10] Somayeh M,Saeed S,Fatemeh A,et al.Effect of PEGylated superparamagnetic iron oxide nanoparticles (SPIONs) under magnetic field on amyloid beta fibrillation process[J].MaterialsScienceandEngineeringC,2016,59:390-397.

[11] Marin T,Matjaz P,Vesna D,et al.Magnetic properties of hematite (α-Fe2O3) nanoparticles prepared by hydrothermal synthesis method[J].AppliedSurfaceScience,2014,320:183-187.

[12] Jayanthi S A,Muthu G T N D,Jayashainy J,et al.A novel hydrothermal approach for synthesizing α-Fe2O3,g-Fe2O3and Fe3O4mesoporous magnetic nanoparticles[J].MaterialsChemistryandPhysics,2015,162:316-325.

[13] Manish K S,Sushanta K S,Pratima M,et al.Low temperature hydrothermal synthesis and characterization of iron oxide powders of diverse morphologies from spent pickle liquor[J].PowderTechnology,2015,276:214-221.

[14] Mitra S,Das S,Mandal K,et al.Synthesis of a α-Fe2O3nanocrystal in its different morphological attributes:growth mechanism, optical and magnetic properties[J].Nanotechnology,2007,18(27):275608.

[15] BØdker F,Hansen M F,Koch C B,et al.Magnetic properties of hematite nanoparticles[J].PhysicalReviewB,2000,61(10):6826-38.

Preparation,Characterization and Magnetic Properties of Iron Oxide Nanomaterials

DUQing-bo

(School of Chemical Engineering and Technology,China University of Mining & Technology,Xuzhou 221116,China)

Different morphology α-Fe2O3nanomaterials were successfully prepared by a facile hydrothermal method with PVP and CTAB as surfactant. The as obtained products were characterized by X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscope (SEM) and magneto-meter (SQUID-VSM) . The α-Fe2O3nanorods and nanocubes can be obtained when used PVP and CTAB as surfactant, respectively, but none-morphology α-Fe2O3nanomaterials were synthesized without any surfactant. The results show that the nanorods are 70 nm in diameter and 300 nm in length; the nanocubes are 700 nm in sides. The magnetic investigation shows that the synthesized α-Fe2O3nanorod, nanocubes and none-morphology nanomaterials exhibit ferromagnetic property with Mr and Hc 0.07 emu/g, 2300 Oe; 0.2 emu/g, 3600 Oe; 0.15 emu/g, 3100 Oe respectively, at room temperature.

α-Fe2O3;nanomaterial;hydrothermal method;magnetic property

自旋电子与纳米材料安徽省重点实验室开放课题(2014YKF46)

杜庆波(1974-),男,讲师,硕士.主要从事功能纳米材料的合成、表征及应用研究.

TB383

A

1001-1625(2016)09-2922-03