共沉淀法和燃燒法制備納米Fe3O4及其磁性能研究

高慧昀，王曉麗

（畢節學院 物理科學與技術學院，貴州 畢節 551700）

近年來，磁性鐵氧化物（尤其是Fe3O4）越來越受關注，由于具有特殊的磁導向性、超順磁性，以及表面可連接生化活性功能基團等特性，使其在顏料、磁共振成像、磁給藥、鐵液、錄音材料、催化劑及數據存儲等方面具有廣泛應用［1－3］。磁鐵礦納米粒子的超順磁特性源于顆粒磁化循環時的微弱能量［4］。目前，Fe3O4已經可以通過多種方法制備，如電弧放電法，機器研磨法，激光燒蝕法，以及高溫有機分解法等［5］，最常用的是共沉淀法、熱水法及溶膠－凝膠法［6－8］。燃燒法也是合成納米顆粒的一種有效方法［9－13］，已被用于合成不同的氧化物，其中包括鐵氧體和鈣鐵礦等，但用于制備Fe3O4納米顆粒的研究很少。試驗采用共沉淀法和燃燒法制備納米Fe3O4顆粒，并對其微觀結構、光學特性和磁性進行研究。

1 試驗部分

1．1 試驗材料

試驗所用試劑：六水氯化鐵（FeCl3·6H2O），四水氯化亞鐵（FeCl2·4H2O），氨溶液（26%，Aldrich公司），硝酸鐵，甘氨酸，淀粉，硝酸銨，均為分析純。

1．2 試驗方法

1．2．1 共沉淀法

按2∶1的質量比配制氯化鐵和氯化亞鐵混合溶液。將溶液在50℃下加熱10min，然后在50℃的磁性攪拌器中加氨水連續攪拌至產生黑色沉淀物（氧化鐵）。用強磁性磁鐵將這些沉淀物顆粒分離出來，用蒸餾水多次洗滌，最后放置于100℃的熱空氣爐中加熱10h。

制備過程的總反應為

1．2．2 燃燒法

用硝酸鐵作氧化劑，甘氨酸、硝酸銨和淀粉作燃料。按化學計量稱取原料，用研缽研磨混勻。把石英坩堝加熱到約500℃，將研磨后的混合物放入坩堝中加熱2h，最后，收集黑色粉末。

1．3 試樣的特性觀察

用X射線衍射儀分析Fe3O4納米顆粒的物相組成（Cu－Kα射線，掃描范圍20°～70°，掃描速度21次／min），用X′pert high score plus軟件計算顆粒的結構和晶胞參數，用JEOL JSM 6480 LV掃描電子顯微鏡觀測試樣表面形貌，用投射電子顯微鏡（TEM）觀察顆粒的形態和大小，用UV CARY 100紫外－可見光譜掃描儀研究試樣的光學特性。室溫下，用Quantum Design公司的磁強計研究試樣的磁特性。

2 試驗結果與討論

圖1（a）為共沉淀法制備的Fe3O4納米顆粒的X－射線衍射圖?？梢钥闯?，XRD衍射峰清晰可見，層次分明，沒有次雜峰，說明試樣具有良好的結晶性和均一性，純度較高。

圖1（b）為燃燒法制備的Fe3O4納米顆粒的XRD圖。與共沉淀法制備的試樣相比，其X射線衍射峰相對較寬，更具有納米晶體特性。與標準卡（JCPDS，No．88－0315）匹配結果表明，Fe3O4納米顆粒具有單相性。利用文獻［6］方法計算Fe3O4納米顆粒的晶體尺寸，結果表明，燃燒法制備的Fe3O4納米顆粒的平均尺寸小于共沉淀法制備的Fe3O4顆粒平均尺寸。用X′pert high score plus軟件計算的Fe3O4納米顆粒晶胞參數見表1。

圖1 Fe3O4納米顆粒的X－射線衍射圖

表1 Fe3O4納米顆粒的晶胞參數

從表1看出：燃燒過程中，顆粒尺寸減小，晶格參數增大；共沉淀法和燃燒法制備的Fe3O4納米顆粒的粒徑分別為35nm和20nm。

制備的Fe3O4納米顆粒的紫外－可見吸收光譜如圖2所示?？梢钥闯?，兩種方法所得試樣都具有單向吸收特性，表明形成的是單相化合物。燃燒法制備的試樣的吸收峰波長降低，說明帶隙取決于粒徑的大小。

圖2 Fe3O4納米顆粒的光學特性

圖3為Fe3O4顆粒的帶隙。燃燒法制備的Fe3O4顆粒的帶隙比共沉淀法合制備的Fe3O4顆粒帶隙寬，二者的帶隙分別為2．08和1．88nm。

圖3 共沉淀法和燃燒法制備的Fe3O4納米顆粒帶隙曲線

圖4所示為Fe3O4納米顆粒的磁化強度與磁場強度關系曲線。試樣的磁性并不強烈，但具有超順磁性，且飽和磁化強度（Ms）較高。共沉淀法合成的Fe3O4顆粒的飽和磁化強度為63．5emu／g。

圖4 Fe3O4納米顆粒的磁化強度與磁場強度關系曲線

3 結論

用共沉淀法和燃燒法可制備Fe3O4納米顆粒。燃燒法制備的Fe3O4納米顆粒存在藍光偏移。共沉淀法和燃燒法制備的Fe3O4納米顆粒的帶隙分別約為1．88nm和2．08nm，均具有超順磁特性，并且沒有磁帶回線；具有極高的比表面積和優異的熱穩定性；共沉淀法制備的Fe3O4納米顆粒的飽和磁化強度高達63．5emu／g。

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