均匀沉淀法合成纳米氧化铁

第43卷　第6期　2004年11月

厦门大学学报(自然科学版)

()

V ol. 43　N o. 6N ov. 2004　

・研究简报・

文章编号:043820479(2004) 0620882204

均匀沉淀法合成纳米氧化铁

欧　延, 邱晓滨, 许宗祥, 林敬东, 廖代伟3

(厦门大学物理化学研究所, 化学系, )

摘要:以尿素为均匀沉淀剂、氯化铁为原料, α型纳米氧化

铁. 用XRD 和TE M Fe 2O 3为α型, 粒径在20～40nm 范围, 且分散性好. 理.

关键词:; 均匀沉淀法;XRD ;TE M 中图分类号:O 642

　　纳米氧化铁具有良好的耐候性、耐光性、磁性和对紫外线具有良好的吸收和屏蔽效应, 可广泛应用于闪光涂料、油墨、塑料、皮革、汽车面漆、电子、高磁记录材料[1]、催化剂[2]以及生物医学过程[3]等方面, 因此了解和掌握纳米氧化铁的各种制备方法无疑具有重要的现实意义. 通常人们将铁的氧化物及其羟基氧化物归属于氧化铁系列化合物. 按其价态、晶型(α和结构之不同可分为(α2, β2, γ2) Fe 2O 3、2, β2, γ2,

文献标识码:A 　　　　　　　　　　　　　　　法为优, 它既改进了水热法合成粉体中存在的反应物混合不均匀, 反应速率不可控等缺点, 又克服了溶胶2凝胶法使用的金属醇盐成本高的缺点. 本文以尿素为均匀沉淀剂, 氯化铁为原料, 采用相对简单的工艺合成了粒径可控、分散性好的纳米氧化铁粉体, 并探讨了合成条件对粒径和形貌的影响以及均匀沉淀法合成纳米氧化铁的机理.

δ2) FeOOH 、Fe 3O 4、FeO 等; 其中较具实用价值的有α2γαFe 2O 3、2Fe 2O 3、2FeOOH 、Fe 3O 4等[4].

纳米氧化铁的制备方法总体上可以分为湿法和干法. 湿法多以工业绿矾、工业氯化(亚) 铁或硝酸铁等为原料, 采用水热法、均匀沉淀法、溶胶2凝胶法[5]、胶体化学法、水溶胶2萃取法等; 干法常以羰基铁([Fe (C O ) 5]) 或二茂铁([Fe (CP ) 2]) 等为原料, 采用火焰热分解、

气相沉积、固相研磨法[6,7]、低温等离子化学气相沉积法(PC VD ) 或激光热分解法制备. 由于湿法具有原料易得且可仅需适当净化处理就可直接使用、操作简便、粒子可控等优点, 因而研究广泛且工业生产多用此法[8]. 而湿法中又以均匀沉淀

1　实验部分

1. 1　纳米Fe 2O 3合成过程

改变反应条件, 获取不同产物, 通过表征(透射电镜,XRD ) , 比较各产物粒径、形貌、分散性, 优化选择, 得到最佳反应条件, 其基本反应如下:

尿素分解反应:

C O (NH 2) 2+3H 2O =C O 2↑+2NH 3・H 2O

(1)

沉淀反应:

Fe 3++3NH 3・H 2O =FeOOH ↓+H 2O +

收稿日期:2003209211

基金项目:国家自然科学基金(20023001,20273053) , 福

建省科技攻关计划重点项目(2002N025) 资助

作者简介:欧延(1980-) , 男, 硕士研究生. 3C orrosponding author

　3NH 4+

热处理:

2FeOOH =Fe 2O 3+H 2O

(2) (3)

1. 2　产物表征

表征所用产物的合成条件是Fe 3+浓度为0. 2

第6期　　　　　　　　　　　　　　　欧　延等:均匀沉淀法合成纳米氧化铁883

m ol/L , 与尿素的量比为1∶3, 在95℃下反应4h ,300℃

下煅烧3h.

1) XRD 表征

2　结果与讨论

2. 1　合成条件

晶体的晶粒粒度不仅由生长基元的形成能和晶格能决定, 而且受外界条件影响. 根据谢乐谱线增宽公式, 以XRD 并结合透射电, . 实验. 而煅烧温度和时间是影响产物粒径和形貌的关键因素, 煅烧温度过高, 煅烧时间过长, 都会使Fe 2O 3粒径增大, 煅烧温度过低, 时间太短, 反应又不完全. 所以在保证FeOOH 沉淀分解完全的基础上, 煅烧温度越低、煅

在D/max 2rC 型转靶X 2射线衍射仪上进行产品θ=20～纳米Fe 2O 3X 射线粉末衍射实验, 扫描范围270°, 扫描速度是4°/min , 所得谱示于图1.

通过XRD

所得谱的几个衍射峰数据与α型三氧化二铁的标准衍射峰数据基本匹配(表1) . 可知, 制得的α型三氧化二铁的纳米粉体纯度高, 晶型完整.

2) TE M 表征

用J E 2在×105

Fe 2O 3的TE M 图(图2c ) . 由图2c Fe 2O 3粒径分布为20～40nm , 粒径比较均匀, 外观呈规则的圆形颗粒状, 分

散比较好.

烧时间越短越好. 实验结果如表2所示.

表2　煅烧温度对氧化铁粒径和形貌的影响

　　T ab. 2　E ffect of calcining tem perature and time on

size and shape of Fe 2O 3

煅烧温度/℃

[1**********]0

粒径/nm

20nm , 长径比6∶130nm , 长径比5∶1

20～4040～80

形貌针状纺锤体纺锤体球形球形为主, 少量无定形

图2

a b c d

　　　　　2θ/(. )

　图1　目标产物的XRD 图

(配比为1∶3,Fe

3+

浓度为0. 2m ol/L ,95℃下反应

　　

通过实验可知, 在200℃和250℃煅烧后的产物

为针状纺锤体(如图2a ,b ) ,XRD 表明产物为未分解的FeOOH , 把反应所得的沉淀物做差热分析, 再通过实验对比, 可知煅烧最佳条件为300℃, 煅烧3h (如图2c ) .

4h ,300℃下煅烧3h 所得纳米Fe 2O 3)

　Fig. 1　XRD profile of nanoscale Fe 2O 3

　表1　产物XRD 谱的主要衍射峰与α2Fe 2O 3标准数据

(Jade 2XRD 软件) 的对比

2. 2　合成机理

采用均匀沉淀法, 利用尿素高温发生水解反应(1) , 缓慢生成构晶离子, 随着反应的缓慢进行, 溶液

　T ab. 1　XRD data of the product com pared with standard data of

Fe 2O 3d /nm

I/I 0

的pH 值逐渐上升. Fe 3+和OH -反应, 并在溶液的不同区域中均匀地形成铁黄粒子, 尿素的分解速率直

实验值

423984100

标准数据

1. 6941. 8412. 5192. 700

实验值

1. 6911. 8392. 5122. 692

标准数据

454070100

接影响了形成铁黄粒子的粒度, 而尿素的分解速率又由反应温度所决定. 温度很低时, 离子具有的能量较低, 晶粒生成速度很小, 虽然有利于形成稳定的晶粒, 但反应速度太慢, 使得粒径大且分布不均匀. 反应温度升高则反应速度加快, 晶粒形成的速度也加快, 但温度过高, 一方面溶液的过饱和度下降, 同时不利于形成稳定的晶粒, 晶粒生成速度反而下降. 我

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年

) 　　　　(a. 200℃; 　b. 250℃; 　c. 300℃; 　d. 400℃

　图2　在不同煅烧温度下制备的纳米氧化铁产物的TE M 图

(配比为1∶3,Fe 3+浓度为0. 2m ol/L ,95℃下反应4h , 不同温度煅烧3h 所得纳米Fe 2O 3)

　Fig. 2　TE M image of nanoscale Fe 2O 3prepared at different calcining tem peratures

们通过多次实验的优化选择, 得到最佳反应温度为95℃,Fe 3+浓度为0. 2m ol/L , 与尿素配比为1∶3.

(3) 利用本方法已进行放大生产, 效果良好, 原

另外, 溶液中的负离子对沉淀物的性质也有显著影响. 对于尿素水解沉淀Fe 3+过程, 当共存离子

为Cl -时, 得到的是容易过滤、洗涤的γ2FeOOH 沉淀物; 当共存离子为S O 42-时, 得到的是α2FeOOH ; 当共存离子是NO 3-时, 则得到无定形沉淀物. 实验选择FeCl 3为反应物, 得到γ2FeOOH 沉淀物. 此沉淀物颗粒均匀致密, 容易洗涤, 避免了杂质的共沉淀.

料价廉易得, 设备简单, 生产工艺可行, 制得的产品

粒径小, 分布均匀, 颗粒分散度好.

参考文献:

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[3]　王胜林, 王强斌, 古宏晨, 等. 磁性微球的生物医学应用

3　结　论

(1) 均匀沉淀法制备纳米氧化铁的最佳反应条

研究进展[J].化学世界,2001,7:384.

[4]　都有为, 罗河烈. 磁记录材料[M].北京:电子工业出版

件为:Fe 3+浓度为0. 2m ol/L , 按和尿素物质的重量比1∶3投料, 在95℃, 搅拌下反应4h , 反应所得溶液经过离心洗涤, 超声波处理, 粗产物在红外烘箱100℃烘干后在300℃下煅烧3h.

(2) 利用均匀沉淀法制备所得产品, 粒径分布

社,1992.

[5]　Sugim oto T ,Sakata K. Preparation of m onodisperse peanuttype

α2ferric oxide partides from condensed ferric hydroxide gel

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区间小, 颗粒分散较好. 并且可以通过控制煅烧温度制得较有实用价值的FeOOH.

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-316.

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粒子[J].无机材料学报,2001,16(5) :957-960.

Synthesis of Nanoscale Fe 2O 3Particles by

H om ogenous Precipitation Method

OU Y an ,QI U X iao 2bin ,X U Z ong 2xiang 23

(Inst. of Phys. Chem. ,Dept. of Chem. the ,

,X Abstract :3by hom ogenous precipitation method with the C O (NH 2) 2as uni 2

formity FeCl 3as iron s ource. The size and shape of the nanoscale Fe 2O 3were investigated by means of X 2ray diffraction and TE M. The results showed that the product was α2Fe 2O 3and the average size of the crystallites was about 20～40nm as the reaction was carried out at 95℃for 4h and calcined at 300℃for 3h. The in flu 2ence condition on the m orphology of Fe 2O 3particles and the principle of reaction was discussed

K ey w ords :nanoscale Fe 2O 3;hom ogenous precipitation method ;XRD ;TE M

・简　讯・

2003年度厦门大学获专利权项目一览表(II )

序号

[***********]2122232425

专利类型发

　明发　明发　明发　明实用新型实用新型实用新型实用新型实用新型实用新型实用新型实用新型实用新型实用新型

法

发明创造名称

蓝藻转基因表达系统及其用于表达胸腺素的方利用光莫尔效应制作隐蔽型全息密码的装置用于计算机以太网通信的10Mbps 光纤收发器用于计算机以太网通信的100Mbps 光纤收发器静水压仪气动力水泵

一体式浸没膜生物反应器的自动控制装置静电键合密封电容腔体的压力传感器裂隙灯扫描驱动装置

扫描式裂隙灯显微眼前节图像分析仪微生物菌种上罐装置

在像素全息图上加密的光学装置微波标量网络分析仪

菲涅尔全息型密集波分复用器及其制造装置

系别生物物理物理物理海洋海洋环科机电计算机计算机生物物理物理物理

发　明　人

章军, 楼士林, 徐虹, 罗田刘守, 张向苏, 赖虹凯陈朝, 夏德昊, 刘宝林, 陈松岩陈朝, 夏德昊, 刘宝林, 陈松岩王德祥, 苏永全, 王军王德祥, 王军, 苏永全

洪华生, 熊小京, 丁原红, 陈伟琪冯勇建王博亮王博亮潘沧桑刘守, 张向苏

肖芬, 倪祖荣, 林国春, 花健敏, 王东刘守, 张向苏, 刘川, 任雪畅