氧化鐵納米球、納米棒和納米帶的可控合成

焦 華

(渭南師范學院化學與生命科學學院，陜西渭南714000)

氧化鐵納米球、納米棒和納米帶的可控合成

焦 華

(渭南師范學院化學與生命科學學院，陜西渭南714000)

通過Fe與C4H4O6Na2溶液在140—220℃水熱反應12h，可控合成了α-Fe2O3納米材料.通過控制C4H4O6Na2的加入量可控合成了納米球、納米棒和納米帶等納米結構單元.采用X射線衍射儀和掃描電鏡對產物進行表征.結果表明，在140—220℃反應得到的產物純凈，沒有任何雜質峰，均為菱方相結構.

水熱法;納米球;納米棒;納米帶

0 引言

氧化鐵具有良好的耐候性、耐光性、磁學性能以及良好的紫外線吸收和屏蔽特性，在涂料、油墨、催化劑以及生物醫學工程等方面有著廣泛的應用，關于氧化鐵各種材料的可控合成與其物理化學性能的研究具有非常重要的科學意義.納米氧化鐵由于具有納米材料的量子尺寸效應、表面和界面效應等，使其具有不同于塊體材料的物理和化學性能，這些物理化學性能是由納米材料的尺寸和形貌決定，同時利用各種不同形貌的納米結構單元可以來構建納米器件［1］.目前，人們已采用各種物理化學方法制備出了α-Fe2O3納米管［2－3］、納米線［4］、納米帶［5］、納米片［6］、納米棒［7］、納米顆粒［8－10］等納米結構單元.目前，在可控合成氧化鐵納米球、納米棒和納米帶等方面的系列方面研究的報道較少.

本文提出利用簡單的水熱法通過單質的Fe絲與C4H4O6Na2溶液在140—220℃水熱反應12h，可控合成了α-Fe2O3球狀、棒狀和帶狀結構單元，研究C4H4O6Na2溶液濃度和反應溫度對產物形貌的影響，該方法的原料易得，可以利用廢棄的鐵絲下角料為原料，為氧化鐵的可控合成提供了新的思路和方法.

1 實驗部分

1.1 氧化鐵納米材料的制備

取一段2—3cm的鐵絲，經過打磨，超聲處理10min后，置于盛有10mL，1mol/L(10mmol)C4H4O6Na2(酒石酸鈉)溶液的反應釜中，密封后將反應釜置于馬弗爐中，在140—220℃下保溫12h，然后自然冷卻至室溫，離心，淋洗，在真空中干燥，最終得到產物.

1.2 產物的表征

采用X射線衍射儀(XRD)、掃描電鏡(SEM)對產物進行了分析表征.XRD使用的是日本理學公司的D/MAX－ⅢC全自動X射線衍射儀，測試條件為Cu Kα輻射，最大管電壓60kV，最大管電流80mA，掃描速度8°/min.SEM采用的是荷蘭FEI公司的Quanta 200型環境掃描電鏡.

2 結果與討論

2.1 不同反應溫度所得產物的SEM圖

對不同反應溫度下得到的產物進行了掃描電鏡分析，結果見圖1.從圖1(a)可見，當反應溫度為140℃時，所得產物主要為球狀，平均尺寸為1.0μm.當反應溫度為200℃時，產物由球形轉變為不均勻的球狀結構，尺寸約為0.5—1.0μm［圖1(b)］.反應溫度繼續升高到220℃時，鐵絲表面腐蝕比較厲害，觀察到的形貌主要為無規則的塊體結構，但是下層得到許多沉淀，該沉淀的形貌為均勻的球形顆粒，其尺寸約為0.8—1.0μm［圖1(c－d)］.以上結果可知，隨著反應溫度的不斷增加，產物的形貌由較大尺寸的球形轉變為尺寸分布范圍較寬的球形顆粒.原因可能是溫度的升高，使得反應環境變得更加劇烈，所以對鐵絲的腐蝕更加嚴重，使得表面得到的球形顆粒被腐蝕沉淀下來.

圖1 不同反應溫度下保溫12h所得鐵絲上產物的SEM圖

2.2 不同反應溫度所得產物的XRD圖

對不同反應溫度下得到的產物進行了X射線衍射分析，結果見圖2.圖中的九個峰分別對應菱方相Fe2O3的(012)，(104)，(110)，(113)，(024)，(116)，(018)，(214)和(300)面的衍射峰 (JCPDS 卡片:33－0664).說明不同反應溫度下制備的產物均為純的菱方相Fe2O3.由圖可以看出，衍射峰隨反應溫度的升高峰強略有增加，沒有出現其他的雜質峰，說明產物純凈，結晶良好.

圖2 不同反應溫度下保溫12h所得鐵絲上產物的XRD圖

2.3 不同反應濃度所得產物的SEM圖

改變C4H4O6Na2溶液的濃度為5mL，1mol/L(5mmol)，分別在140℃、200℃、220℃下保溫12h，對所制備的產物進行SEM分析，結果見圖3.從圖3(a－b)可見，當反應溫度為140℃時，所得產物主要為棒狀，直徑約為2.0—3.0μm，長約為10.0—20.0μm.當反應溫度為200℃時，產物由棒狀轉變為帶狀結構，其寬約為0.2—0.3μm，長約為5.0—6.0μm，同時還有許多小顆粒生長在帶狀結構的表面［圖3(c－d)］.反應溫度繼續升高到220℃時，帶狀結構消失完全轉化為均勻的小顆粒，其平均尺寸約為0.5μm［圖3(ef)］.以上結果說明，當C4H4O6Na2溶液的濃度為5mL，1mol/L(5mmol)時，隨著反應溫度的不斷增加，產物的形貌由大尺寸的棒狀球形轉變為帶狀，最后再由帶狀最后轉變為尺寸均勻的小顆粒.原因可能是由于溫度的升高，使得水熱的高溫高壓環境更加劇烈，所以低溫時得到的大尺寸棒狀被腐蝕，變薄，成為帶狀，而繼續升溫又加劇了腐蝕環境，所以帶狀轉變為小顆粒.

圖3 C4H4O6Na2溶液的濃度為5mmol/L時，在不同反應溫度下保溫12h所得鐵絲上產物的SEM圖

2.4 反應機理的探討

上述實驗說明，Fe與C4H4O6Na2生成了α-Fe2O3.反應過程可能為:Fe與C4H4O6Na2水溶液中反應生成C4H4O6Na2［反應(1)］，再在溶液中電離出的Fe2+［反應(2)］，Fe2+與溶液［反應(1)］中OH－和反應釜中的O2反應生成氫氧化鐵沉淀［反應(3)］.最后，Fe(OH)3在高溫中分解得到α-Fe2O3納米晶.

其反應為:

由于在高溫高壓下反應(4)發生，使得可逆反應(1)(2)(3)向右移動，最終生成Fe2O3.

3 結論

通過Fe絲與酒石酸鈉溶液的水熱反應，制備出菱方相結構的α-Fe2O3，通過反應溫度和酒石酸鈉溶液濃度的改變制備出納米帶、納米球和納米棒.該方法不使用任何軟、硬模板，而是通過Fe絲與酒石酸鈉的簡單水熱反應，改變反應物濃度和反應溫度而實現對α-Fe2O3納米結構單元的控制.依此原理可望制備出其他氧化物的納米結構單元.所合成的α-Fe2O3在催化和傳感等領域具廣泛的潛在應用價值.

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Controllable Synthesis of Iron Oxide Nanospheres，Nanorods and Nanobelts

JIAO Hua
(School of Chemistry and Life Science，Weinan Normal University，Weinan 714000，China)

α-Fe2O3nanomaterials were controlled synthesis by Fe and C4H4O6Na2solution at 140—220℃ hydrothermal reaction of 12h.Nanospheres，nanorods and nanobelts were synthesis by controlling the amount of C4H4O6Na2.The product was characterized via X-ray diffraction and scanning electron microscopy.The results show that the product obtained at 140—220℃ were pure rhombohedral structure.

Hydrothermal;nanospheres;nanorods;nanobelts

O614

A

1009—5128(2012)06—0064—04

2011—11—22

陜西省教育廳科研計劃項目(12JK0435)

焦華(1982—)，女，陜西三原人，渭南師范學院化學與生命科學學院講師，工學碩士.研究方向:納米材料的制備與應用.

【責任編輯 曹 靜】