α-Fe2 O3纳米粒子应用的研究进展

张 立 杨 莹

安庆医药高等专科学校药学系 安徽 安庆 246052

三氧化二铁(Fe2O3)为红棕色粉末,分为有α、β、γ和ε四种类型,在不同条件下晶型之间会发生相互转变[1]。其中α-Fe2O3呈稳定的三角晶系,化学性质以及热力学性质稳定,此外还具有无毒、环境污染小、价格低廉、催化活性高等优点,因此α-Fe2O3纳米粒子(α-FNPs)得到了广大学者的广泛关注和研究,已经逐渐被应用在颜料、催化、气敏材料、锂离子电池、磁性材料等领域。

1 在催化领域的应用

α-FNPs粒径可以达到几十纳米甚至几纳米,具有高的比表面积,一般催化剂的粒度越小、比表面积越大,反应面积就越大,其反应速率和效率也就越大[2],因此在催化领域具有广泛的应用前景。

杨敏敏等人[3]利用水热法制备了α-FNPs超薄圆饼纳米材料,材料表面具有大量活性位点,对阳离子型染料分子具有优良的可见光催化性能。Qiu等人[4]以Fe(NO3)3和CO(NH2)2为原料,通过微波辅助水热法,在120℃的条件下加热30 min制备得到了α-FNPs,其透射电子显微镜(TEM)像如图1所示,从图中可以看出,得到的α-FNPs粒径均一,粒径大约为5 nm,但是α-FNPs团聚现象明显。他们利用所制备的α-FNPs分别对CO和2-羟基丙醇(CH3CH(OH)CH3)进行催化实验,将其完全氧化为CO2。在CO的催化实验中,催化温度越高催化速率越快,当催化温度为170℃时,催化效率达到100%。而在CH3CH(OH)CH3的催化实验中,α-Fe2O3可以将CH3CH(OH)CH3有效地转化成CO2,当温度升高至180℃时,CO2开始生成,350℃时CH3CH(OH)CH3完全转化为CO2,这说明α-FNPs具有较高的催化效率,并且将使用过的α-FNPs再进行X射线衍射(XRD)分析和TEM分析时发现α-FNPs的结构以及粒径并未发生明显改变,说明α-FNPs是一种稳定的、具有应有前景的催化剂。

图1 α-FNPs TEM像[4]

2 在气敏材料领域的应用

随着科技的发展以及工业发展的要求,人们对气敏元件的要求越来越高,因此需要不断研究改良气敏元件的性能。气敏材料的工作原理为：在正常状态下空气中的O2通过物理或化学力吸附在由α-FNPs制成的气敏材料表面,该过程中O2发生解离,其中O2为电子受体,接收电子后解离成O2-,O-,O2-,而气敏材料表面为电子给体,给出电子后表面充满正电荷,当待测气体与气敏材料表面接触时,待测气体与表面的氧负离子发生氧化还原反应使氧负离子被还原成O2,而使被俘获的电子又回到气敏材料表面使其电阻发生改变[5]。α-FNPs因满足制备优异性能气敏元件的要求,被广泛的应用于气敏材料领域。

Cuong等人[6]通过水热法制备得到粒径约为40 nm的α-FNPs,并将所得的产物制成气敏元件,以测定α-FNPs的气敏响应,通过改变气体种类和气体浓度来测定该气敏元件的性能。实验结果发现在300℃的作用温度下,随着CO浓度的增大,元件的响应越明显；与其它测试气体比较,气敏元件展示了其对CO的响应明显高于其它气体,具有良好的选择性；对其响应速度以及恢复速度的测试表明该气敏元件有较快的响应速度并且能在几分钟的时间内恢复。以上结果表明以α-FNPs为原料制备的气敏元件具有响应速度快、选择性较好、恢复时间短等优点,在气敏材料领域具有潜在的应用价值,可以应用于气体检测等方面。由于气敏材料结构与形貌的改变对气敏元件对气体的响应产生影响,可以考虑以不同方法制备不同结构与形貌的α-FNPs为气敏材料制备的元件对不同气体响应的影响,因此α-FNPs在气敏材料领域还具有很大的应用潜力。

3 在锂离子电池领域的应用

研究表明蓄电池的性质不仅取决于其结构还取决于其电极组成的形貌,由纳米粒子制成的材料具有块状材料所没有的物理化学性质。目前,由纳米棒、纳米管以及花状结构、枝杈状结构的α-FNPs所制备的锂离子电池都已得到研究[7-8]。

孙小磊[7]等为了减少α-FNPs聚集,提高分散性,在制备α-FNPs过程中引入了三嵌段共聚物P123。并在氮气保护下进行热处理,使α-FNPs表面的P123脱水转变为无定形碳,最终制得碳膜全包覆的α-FNPs六方圆盘纳米颗粒。以该材料作为锂离子电池负极进行研究,结果表明,即便经过十次充放电循环,锂离子电池比容量仍能达到首次容量的67%,具有优良的充放电保持性能。Wang等人[8]以FeCl3和溴化十六烷基三甲铵为原料,低温水热法制备了α-FNPs,其场发射电子扫描显微镜(FESEM)像如图2所示,得到的α-FNPs呈菱形,平均粒径大约为90 nm。他们将所得的α-FNPs制成活性阴极电极材料,在3.0～0.3 V的电压下以不同电流密度对其进行测试,当电流密度为0.5 m A/cm2时,电池的最大放电容量为1090 m A h/g,当电流密度为1 m A/cm2时,电池的最大放电容量为980 m A h/g。

图2 α-FNPs的FESEM像[8]

4 在磁性材料领域的应用

磁性纳米粒子具有特殊的超顺磁性,在磁记录材料、巨磁电阻、磁光器件、磁探测器等领域具有广泛的应用价值[9]。α-FNPs具有良好的硬度,可用作磁性材料和磁记录材料,此外,人们借助α-FNPs低毒性以及小粒径在人体内便于运输的优点,将α-FNPs制成药物载体,再经一系列处理后使其具有较强的磁性,通过靶向给药系统,使药物在人体或动物体内流动达到指定部位,达到提高药物利用率、减少药物使用量和提高治疗精确度等效果。

Xu等人[10]以FeCl3和CO(NH2)2为原料,在没有任何添加剂的条件下,通过简单的乙醇/水体系制备出了4种不同形貌的α-Fe2O3并对其进行了磁滞测量,4种形貌分别为：花状、纺锤状、纳米粒子、菱形,分别测量其剩磁(Mr)和矫顽力(Hc),测量数据分别为：1.2844 emu/g、28.2056 Oe；0 emu/g、0 Oe；0.02248 emu/g、109.49 Oe；0.1045 emu/g、307.7254 Oe。

5 在颜料领域的应用

当α-FNPs达到100 nm左右的粒径时,其与光作用能够产生小尺寸效应,因此表现出对可见光的散射能力很弱,使可见光基本上完全透过,呈现透明状态,遮盖力降低,对紫外线的吸收能力增强等现象。将α-FNPs分散在有机相中制成的漆膜具有透明的着色效果,而且α-FNPs具有耐酸耐碱、耐光及耐候性等优良性能,因此纳米级α-Fe2O3颜料在高档轿车车面漆、仪表外壳、木材着色等方面具有广泛的应用。

尽管α-FNPs纳米粒子在众多领域已有许多用途,但对于它的研究从未停止。随着α-FNPs纳米材料制备方法的不断发展和丰富,更多性能优良的α-FNPs纳米粒子材料将被研究应用于更广泛的领域。