鐵酸鋅制備工藝的研究進展

趙林飛，李慧，許瑩，蔡宗英，劉暢，張帥

(華北理工大學冶金與能源學院現代冶金技術教育部重點實驗室，河北 唐山 063210)

鐵酸鋅(ZnFe2O4)的研發近年來進步顯著，鐵酸鋅為正尖晶石結構[1-2]。鐵酸鋅不易與其他物質發生反應，無污染，在太陽光下較為穩定，且應用廣泛[3]。作為一種新型窄帶隙半導體材料，納米鐵酸鋅在磁性、光催化、儲能等領域已得到廣泛研究與應用。鐵酸鋅的磁性較強，在光電轉換上應用廣泛。此外，鐵酸鋅作為催化劑在光催化和太陽能轉換有著廣泛的應用[4]。納米顆粒還可以抗菌，擁有氣敏特性[5]，可以用作脫硫劑[6]，研發前景廣泛。鐵酸鋅的制備方法主要有液相法：共沉淀法、水熱法、溶劑熱法、溶膠-凝膠法方法等；固相法：普通焙燒法、微波固相法、機械化學合成法等，以及超聲波輻射法、微乳液法、噴霧熱解法等。

1 液相法

1.1 共沉淀法

共沉淀法就是在含有目標粒子的溶液中加入沉淀劑，作用之后將得到的均一沉淀進行焙燒處理得到產物。在制備鐵酸鋅的過程中可以細化為兩類：

一類是將一定量的Zn2+、Fe3+鹽溶液按一定摩爾比混合均勻后，混入沉淀劑之后發生作用，之后再經一系列處理之后煅燒，即可得到最終產物。張變芳等[7]以ZnCl2和FeCl3·6H2O 為原料，過量的NaOH 水溶液為沉淀劑。得將到鐵酸鋅的前驅體Zn(OH)2和Fe(OH)3的混合微粉在1073 K 和1273 K加熱2 h 制備得到了顆粒大小均勻，形狀近似為球形的鐵酸鋅粉體。Lee 等[8]以ZnCl2和FeCl3·6H2O為鐵源和鋅源，分別用不同的緩沖溶液（硼砂體系，碳酸氫鈉體系等）作為共沉淀介質，在不同的pH 值條件下制備一系列的鐵酸鋅。Li 等[9]采用傳統的NaOH 共沉淀法，在1073 K 下煅燒3 h 得到平均粒徑為39 nm 的鐵酸鋅微粒。沈水發等[10]研究共沉淀法制備了介孔鐵酸鋅，原料為鐵和鋅的硝酸物，以Na2C2O4作為沉淀劑，通過加入十二烷基硫酸鈉來改變粉體的大小。得到了40 nm 和25 nm的大小均勻的成直線“珠串”，相互堆疊的顆粒，即介孔孔道結構。張啟偉[11]以Fe(NO3)3·9H2O 和Zn(NO3)2·H2O 為鐵源和鋅源，以NaOH 水溶液為沉淀劑，在923 K 下煅燒6 h 得到100 ～ 200 nm 的粉體，產品純度較高。Erfaninia N 等[12]提出了一種利用Zn2+和Fe3+在堿性溶液中化學共沉淀法制備鐵酸鋅納米粒子的新方法。得到了平均粒徑40 nm具有高飽和磁性的鐵酸鋅。這種熱化學穩定的納米催化劑是環保的，經濟的和可重復使用的，可以很容易地利用外部磁鐵回收，有望擴展為工業用途。這種方式易于操作，但是會在試驗過程中出現黏著的膠體，大大加大了處理中的復雜程度，而且會有高溫處理，耗能較高。

另一類方法是用鋅、鐵化合物為反應物。混合后加沉淀劑，通空氣，發生反應，得到產物。Tabata 等[13]以NaOH 水溶液為沉淀劑，在338 K下向FeSO4·7H2O和ZnSO4·7H2O水溶液中通入一定流速的空氣5 h，使Fe2+發生氧化，并起到對溶液的攪拌作用，此過程中pH 值=10.0，將得到的沉淀洗滌，過濾，在室溫下通氦氣干燥即可得到產物。張春雷等[14]采用空氣氧化濕法制備得到鐵酸鹽，制備的較佳條件是在R ≥1.0（R=2OH-/(M2++Fe2+)）；M2+/Fe2+=1:2 的摩爾比，空氣通量為300 mL/h，氧化溫度為343 ～ 358 K，氧化時間為10 h ～ 25 h。徐國財等[15]以Fe(acac)3和Zn(acac)2·H2O 為主要原料，用NaHCO3做沉淀劑，在333 K 條件下真空干燥，得到尖晶石結構，晶粒蓬松的具有良好的水基分散性的水解鐵酸鋅粉末。Qiaoling 等[16]通過在NaOH 溶液中氧化Zn2+和Fe2+共沉淀物制備出纖維樣前驅體，對其進行熱處理，得到了直徑在10 ～ 15 nm 之間，長度介于2 和3 μm 之間鐵酸鋅納米纖維。采用同樣的制備方法，Akbar Esmaeili等[17]以FeCl3·6H2O和ZnCl2為原料，以NaOH 水溶液為沉淀劑，在338 K 下以400 rpm的轉速攪拌1 h，再加入油酸混合15 min，將得到的沉淀過濾，洗滌，在373 K下在真空爐中干燥2 h，得到鐵酸鋅納米粒子，平均尺寸為8.5 nm，且具有超順磁性。這種方式易于操作，控制方便，但是受沉淀劑、pH 值、攪拌影響較大，容易出現顆粒大小不均勻、沉淀不完全，甚至顆粒團聚等現象。

1.2 水熱法、溶劑熱法

水熱法的研究始于19 世紀50 年代，主要應用在礦產方面，20 世紀初才形成了系統的理論，開始拓展到材料方面，應用廣泛。是在高溫高壓下在水溶液中進行的反應。溶劑熱法與其機理類似，反應環境為有機溶劑。

SU Minhua 等[18]采用水熱法制備了20 nm 的高純鐵酸鋅納米粒子，發現在H2O2輔助下，鐵酸鋅在可見光輻射下具有較高的光催化活性，為鐵酸鋅在可見光下作為高性能催化劑提供了潛在的應用前景。Chayene G 等[19]采用微波-溶劑熱法快速、簡便制備了具有高結晶度和多孔結構，表面積大的尖晶石結構的氧化鋅，研究表明，該材料在H2O2/可見光的存在下，對水中有機污染物的降解具有良好的催化活性。Yoo 等[20]通過研究水熱法制備鐵酸鋅納米粒子發現由于Fe2+和Fe3+共存，粒子為混合尖晶石結構，表面附近存在大量的氧空位。磁性是由于陽離子倒置和表面效應的共同作用。與5 nm 的顆粒相比，60 nm 的顆粒具有更強的室溫鐵磁性和更大的矯頑力。研究結果為優化水熱合成鐵酸鋅納米顆粒的提供了有價值的信息。此方法合成比較容易控制反應的化學環境和實施化學操作，不會造成有毒氣體擴散，不受空氣影響，且產物的分散性好。但是對有機溶劑要求較高，且價格昂貴，難以實現工業化。

1.3 溶膠-凝膠法

溶膠-凝膠法最早可以追溯到19 世紀中期，Eblmen[21]發現正硅酸乙酯水解出二氧化硅玻璃狀，而且二氧化硅膠體中的水可以被有機溶劑置換，經過長時間的不斷探究，逐漸形成了膠體化學學科。是指高活性物質預先制得前驅體經過水解和縮合反應后，在溶液中形成穩定的溶膠體系，再進一步陳化成凝膠，干燥后高溫焙燒，得到產物。

Li 等[22]將Zn(NO3)2和Fe(NO3)3溶 于少量的去離子水中得到澄清的溶液，在磁力攪拌下加入一定量的聚合度為2000 的聚乙烯醇([C2H4O]n)，在333 ～ 343 K 范圍內緩慢脫水，即得到紅色的凝膠狀前驅物，在空氣條件下以723 K 煅燒2 h，得到純相鐵酸鋅納米顆粒。高賀然等[23]采用溶膠-凝膠法制備得到了純度較高，粒度均勻的鐵酸鋅，進一步驗證了鐵酸鋅優良的光催化性能。溶膠-凝膠法制備鐵酸鋅的優點在于它是一種條件溫和的材料制備方法，即該工藝過程所需溫度低，顆粒小且均一，純度高。缺點是造價昂貴不安全，反應所需時間長，不好燒結，干燥時產生氣體且有機物收縮大。

1.4 單分子前驅體法

單分子前驅體法屬于軟化學合成方法，主要是在金屬鹽溶液中，加入適量的有機配體（如有機羧酸、醇、有機胺等），發生作用后得到前驅體，然后在較低溫度下對前驅體進行加熱分解制得所需材料。

德國科學家M Veith 等[24]在473 K 下以合成的雜二金屬烷氧基化合物FeZn(OR)(R=Bu,Pr)為單分子前驅體熱分解制備出平均尺寸為2.24 nm的純相鐵酸鋅。采用同樣的方法，Ai 等[25]將過量的Na2C2O4 溶液加入ZnSO4·7H2O 和FeSO4·7H2O 的混合液中獲得黃色的草酸鋅鐵前驅物，在773 K 下煅燒2 h，制得尺寸為28 nm 的木材狀的多孔的具有很高的順磁性的純相納米鐵酸鋅晶體。單分子前驅體法使原料得到了更為充分的混合，可以有效的進行擴散控制，且降低了反應的活化能，使之能在較溫和的條件下較快反應。所以單分子前軀體法有反應溫度低、反應速率快、操作方便、容易控制金屬離子比例、所得晶相純的優點，缺點是前驅體難尋且易受熱分解。

液相法制備鐵酸鋅可以得到混合較為均勻地前體，得到的粉體粒度較為均勻，純度較高，但是液相法過程繁多，操作復雜，在原料和溶劑選擇方面要求較高，且價格昂貴，還可能會發生危險，固相法的操作過程可以克服這些弊端，制備過程易于控制。

2 固相法

固相法是將固體原料直接研磨后高溫處理得到產物。可以分為兩種方式：機械化學合成法、固相反應法。機械化學合成法是將固體物質直接粉碎成粉末狀發生反應。固相反應法是將原料混合粉碎，高溫焙燒后，得到產物。

2.1 普通焙燒法

焙燒法是將ZnO 和Fe2O3做研磨預處理后，將物料取出置于陶瓷坩堝中，用箱式電阻爐進行焙燒反應得到產物。

徐明等[26]采用焙燒法將反應物球磨預處理0.5 h，焙燒溫度993 K，焙燒時間1 h 的條件下制備得到了結晶度好，分散性好，純度高的鐵酸鋅。許繼芳等[27]采用固相法研究了鐵酸鋅的制備，將等摩爾比ZnO 和Fe2O3反應物，在反應溫度為1473 K，反應時間為2 h 時，得到了純度和結晶度較高的產物。焙燒法制備鐵酸鋅的主要限制條件是溫度和時間，增加焙燒溫度可以增加反應速度，產物純度極高，反應物結晶度較好，但是顆粒粒徑較大且分布不均勻，結晶冷卻過程固溶程度較高，難以磨細處理；低溫下的反應速度慢，雜質較多。

2.2 微波固相法

微波加熱的方式在納米材料的制備領域應用廣泛。微波固相法是指在鐵酸鋅制備過程中用微波加熱的方式替換傳統的燒結方式。張瑞妮等[28]通過使用AgNO3溶液洗滌固體粉末FeCl3·6H2O、ZnCl2和NaOH 反應后的產物，得到前體。分別以微波加熱和傳統加熱的方式焙燒，發現焙燒溫度為773 K 時，加熱方法的不同對鐵酸鋅粒徑影響較大，微波加熱時晶粒生長較快且反應活化能較低。曹宇[29]等通過研究微波固相法，以Zn(CH3COO)2、Fe(NO3)3、H2C2O4為原料反應得到分解完全的前驅體，再以紅土為黏結劑，在778 K 下以微波加熱焙燒得到結晶度好、晶粒完整鐵酸鋅脫硫劑。微波法的優點是高效節能[30-33]、低反應活化能[34]，且能夠以改變微波參數的方式根據各種材料吸波能力的不同，控制材料結構，得到結晶度高[35]、粒徑大小均勻[36]、分散性好的納米粒子[37-39]，且能耗低，在同樣的焙燒條件下，微波加熱得到的鐵酸鋅比普通焙燒法結晶度高，顆粒大小更均勻。

2.3 機械化學合成法

機械化學合成工藝是制備納米化合物的新工藝，其通過球磨使多種金屬材料相互作用形成復合納米材料。該工藝首次是由日本京都大學提出。其最初目的是是利用高能球磨，使粉末間相互作用合成鐵氧體。之后應用在納米復合材料制備方面[40]。

Kim 等[41]以ZnO 和Fe2O3粉末為原料，通過高能球磨進行機械化學合成，在室溫條件下成功合成鐵酸鋅納米材料。姜繼森等[42]在高能球磨的作用下，通過α型FeO和ZnO粉末的機械化學反應，在室溫(約298K)下球磨70 h 合成了納米鐵酸鋅。得到了非正常尖晶石結構具有超順磁性的納米晶粒鐵酸鋅。Lazarevi·等[43]采用機械化學合成的方法在300 K 下研磨18 h 制備得到了尖晶石結構的鐵酸鋅，且隨著粒度的減小含量升高，大大縮短了反應時間。該工藝具有設備結構簡單、產能高、合成元素容易控制且便于操作等優點，但總反應時間較長、因此能耗較高、雜質不宜分離、粉末分散性不好。

固相法在制備鐵酸鋅的過程中很好地解決了原料的選取問題，且操作較為簡便，但是在制備過程中會出現原料混合不均勻、分散性不好的問題，而且產物純度不夠高，粒度大且不均一，反應時間長，能耗高。原料預處理過程中超聲波輻射法的引入可以很好地解決混合和分散的問題，和微波加熱的方式聯合起來使用對固相法產物的弊端都可以很好的避免。

3 超聲波輻射法

超聲波輻射法是采用超聲波輻照使反應物分散混合均勻，再經過一系列處理得到產物。在鐵酸鋅的制備方面主要有超聲波微波聯合法、超聲波球磨焙燒法、超聲波化學法等方法。

超聲波微波聯合法是采用超聲波輻照使反應物分散混合均勻，再共沉淀得到鐵酸鋅前驅體，最在微波輻照下高溫處理得到鐵酸鋅。謝燕青[44]研究了超聲波微波聯合法，通過改變焙燒溫度和時間觀察產物變化，采用超聲波和微波聯合在973 K 下微波焙燒1 h 制備得到了晶相較完整的尖晶石結構，晶粒較小，粒徑在40 ～ 60 nm，粒子較均勻，呈球狀。這種方法制備得到的鐵酸鋅純度高，粒度小，且熱處理時間短。超聲波球磨焙燒法采用超聲波輻照和高能球磨得到混合均勻的鋅鐵化合物粉末，然后焙燒得到鐵酸鋅。徐明等[45]對分析純的ZnO 和Fe2O3粉末進行超聲波分散及高能球磨預處理后在973 K 下恒溫焙燒制備鐵酸鋅材料。超聲波球磨焙燒法可以使原料擴散分布均勻，制得的鐵酸鋅純度較高，在較高溫度下有較高結晶度。超聲化學是利用超聲波加速化學反應，提高化學產率，聲化學反應是液體中空腔的形成、震蕩、生長、收縮、直至崩潰，機器引發的物理、化學變化。Zhu J 等[46]利用聲化學的方法，從水中的FeCl2/尿素和ZnCl2/FeCl2/尿素中合成得到了Fe3O4和ZnFe2O4納米晶體。超聲波化學法制備得到的鐵酸鋅粉末結晶良好、純度高、分散性好的、粒度分布均勻，但是反應時間長，能耗高。

4 微乳液法

微乳液法制備納米鐵酸鋅中微乳液的選擇極為重要。微乳液分為O/W 型和W/O 型兩種類型，區別是將水滴在油中還是將油滴在水中，表面活性劑分子在油水分界處形成微型反應器，反應物在反應器內發生反應，產物粒度大小可由表面活性劑的選擇控制，一般為10 ～ 100 nm，且產物表面會包裹一層活性劑。

Niu[47]通過研究微乳液法，在室溫下將Zn(NO3)2和Fe(NO3)3配制成的混合溶液滴入正己醇/正庚烷按一定質量比配制的W/O 微乳液中，然后逐滴加入一定量的氨水溶液沉淀，用乙醇-丙酮溶液洗滌，即得到Zn(OH)2和Fe(OH)3前體，將此前體在1073 K 下煅燒3 h，得到了平均粒徑為30 nm 的鐵酸鋅，并用其檢測50 ppm 的Cl2，在543 K 時顯示了良好的氣敏性。Zhu 等[48]利用微乳液法，將溴化十六烷基銨（CTAB）溶解在有環己烷和正丙醇組成的混合液里，攪拌后加入草酸溶液，得到微乳液，將其加入到Zn(NO3)2和FeSO4的混合溶液中，得到黃色前軀體ZnFe2(C2O4)3，然后在773 K 下煅燒3 h，得到直徑為50 nm，長為幾十微米的納米管，用其檢測50 ～ 5000×10-6的還原性氣體乙醇，表現出很好的氣敏性。

該法制備納米鐵酸鋅具有試驗裝置簡單、耗能低、操作容易、粒徑可控、粒子間不易聚結、穩定性好、制得的材料有良好的光電性能等優點。但是微乳液法多為多相反應，影響因素較多，且成本較高，難以工業化。

5 噴霧熱解法

該方法首先出現在上世紀60 年代初期，起源于噴霧干燥法，是制備無機物超細粉末的一種重要方法。Yu 等[49]采用噴霧熱解法以硝酸鎳和硝酸鐵為原料，溶解在氨水中，在823 K 下加熱得到超細鐵酸鎳粉末。該法先將原料溶解，再霧化揮發發生反應，得到產物。

陳祖耀[50]以該法合成了一系列的復合氧化物超細微粉，其中得到的六角形是平均粒徑為120 nm鐵酸鋅晶體。Sutka 等[51]采用噴霧熱解技術研究廉價、靈敏的鐵酸鋅薄膜氣體傳感器用于乙醇的檢測，得到了約450 nm 厚的鐵酸鋅層。該傳感器檢測較為靈敏且能檢測到低至1×10-6的乙醇濃度。該方法的優勢是制備過程中存在原料熱分解，故該工藝反應在較低溫度下即可發生，操作簡單、快速，且可以連續進行，省去了產物的水洗和研磨過程，避免了不必要的污染，大大增加了產物的純度，所得鐵酸鋅比表面積大，燒結性好。但是，該法也有不足之處，即反應分解后產生的氣體一般都具有污染性，且容易腐蝕設備，直接影響設備的壽命。

6 總結及展望

對鐵酸鋅粉體材料的制備方法、研究概況等進行了概述，需要高溫處理的共沉淀法、普通焙燒法、機械化學合成等固相法擁有操作簡單，反應物易尋的優點，但是也都有能耗高的缺點；溶膠-凝膠法等液相法以及噴霧熱解法在安全方面都存在問題；溶劑熱法、單分子前驅體法、微乳液法等方法中反應物對整個制備過程影響較大。鐵酸鋅的制備應該朝著低耗環保、操作簡單、反應物易尋、影響因素較少的方向發展。Fe2O3和ZnO是較為理想的原料，超聲波輻照和高能球磨結合可以使原料擴散分布均勻，以微波加熱的方式燒結還可以大大降低能耗，綜合采用以上方式是一種合理、有效的方法。隨著鐵酸鋅制備方法的進一步研究，其制備工藝逐步成熟，必將實現工業化發展。