纳米氧化铁材料的制备

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2009 年10 月01 日

摘要纳米氧化铁的制备方法有沉淀法、固液气相法、水热法、凝胶—溶胶法、共混包埋法、单体聚合法等.。本文通过分析比较各种纳米氧化铁的制备方法, 水热法由于操作简单、粒子可控等优点广泛应用于自分散氧化物的制备研究中。

关键词水热法，沉淀法，固液气相法，比较

前言

定，催化活性高，具有良好的耐光性、耐候性和对紫外线的屏蔽性，在精细陶瓷、塑料制品、涂料、催化剂、磁性材料以及医学和生物工程等方面有着广泛的应用价值和前景，因此研究纳米氧化铁有着很重要的意义。由于纳米氧化铁具有如此多的优点及其广泛的应用前景，近年来国内外研究者对其制备和应用投入了大量的研究工作。本文综述了纳米氧化铁制备方法的一些研究进展，分析了当前急需解决的问题，并对今后发展做了展望。重点介绍了水热法制备纳米氧化铁材料，以及在铁离子浓度、PH值、水解时间分别不同的情况下的水解程度。【1】

文献综述

国内外研究现状：

我国纳米材料和纳米结构的研究已有10年的工作基础和工作积累，在“八五”研究工作的基础上初步形成了几个纳米材料研究基地，科院上海硅酸盐研究所、南京大学、科院固体物理所、科院金属所、物理所、国科技大学、清华大学和科院化学所等已形成我国纳米材料和纳米结构基础研究的重要单位。无论从研究对象的前瞻性、基础性，还是成果的学术水平和适用性来分析，都为我国纳米材料研究在国际上争得一席之地，促进我国纳米材料研究的发展，培养高水平的纳米材料研究人才做出了贡献。在纳米材料基础研究和应用研究的衔接，加快成果转化也发挥了重要的作用。目前和今后一个时期内这些单位仍然是我国纳米材料和纳米结构研究的坚力量。【2】

近年来美国纳米技术研究与产品开发发展迅速。如医学领域的纳米医药机器人、纳米定向药物载体、纳米在基因工程蛋白质合成中的应用，微电子及信息技术领域的导电聚合物在信息技术的应用、纳米电子元器件FET二极管、用于感应器的电子序列、纳米传感器，化工领域的利用纳米材料提高催化剂的效能等，都取得了很大进展。

日本科学家在2003年12月发现，当温度降到极端低时，非常接近于一维金属的碳纳米管的电阻急剧增大，变成绝缘体，与普通金属的导电性截然相反。从

而证实了诺贝尔物理学奖获得者日本物理学家朝永振一郎关于一维金属的电阻在极端低温状态下急剧增大的“朝永理论”。这一发现为开发超微半导体等新产品提供了新思路。名古屋大学研制出一种外层为半导体、内层为导体的双层纳米管，可作为微电子元件的配线，用于薄形装置的关键部位。信州大学研制成功目前世界最小的碳纳米管，直径只有 0.4 纳米，这种纳米管可在分子等级上与树胶混合，形成高强度树胶，用于制作小型精密机械用树胶齿轮。日本NEC研制出世界最小晶体管，长度为5纳米，比最小的病毒还要小2倍。

俄罗斯科学家研制出生产能力为每小时10克的碳纳米管的技术装置。还研制出一种碳纳米管生产新方法，将酒精和甘油的混合物喷射到2000℃至3000℃的石墨棒上，制出厚度为30纳米至150纳米的碳纤维、厚度为20纳米至50纳米、长度为几米的碳纳米管。这种纳米管可用于制作连接地球和月球之间的运输线。

法国国家科研中心应用粉末冶金制成平均尺度为80纳米、机械特性极佳的纯纳米晶体铜，其强度比普通铜高3倍，而且形变时非常均匀。这是科学家首次获得具有完美弹塑性的物质，为制造常温下的弹性物质提供了十分有用的技术支持

英国谢菲尔德大学通过模拟细胞自我组装机制，使一种树状有机分子自我组装成截面约为20纳米×20纳米、含25万个原子的晶格单元。由这些晶格构建的纳米晶体结构比普通液晶晶格结构更大、更复杂，可用于制造各种分子电子学和光学材料。这是目前能够得到的最为复杂、可自我组装的超分子结构，也是光子晶体材料研制领域首次在原子级精确度上获取的纳米级结构。

以色列科学家利用生物自组装技术和碳纳米管的电子特性，首次在DNA上制造出纳米晶体管，证实利用生物技术制造无机物器件是可能的。特拉维夫大学综合就用生物技术和无机化学技术，制备出银纳米导线，可作为稳定的生物传感器和芯片的电流导体。这是世界上首次应用人工合成的方法制备离散而又均匀的纳米导线。

墨西哥国立自治大学应用物理和高科技中心从墨西哥东南部油田提取的多份原油样品中发现碳纳米管，强度是钢的100多倍，每桶原油可分离出2克。这是世界上首次在原油中发现天然碳纳米管。埃克森-美孚石油公司、壳牌石油公司已经在同墨方接触，探讨利用原油工业化生产碳纳米管的可能性。

随着科学技术的不断发展,纳米氧化铁的制备方法也在不断推陈出新,各种方法在不断进行交叉、渗透,取长补短。由于纳米氧化铁在实际应用中的优异性能,使其用途极为广泛,开发前景广阔。然而,纳米氧化铁的制备过程中处理温度高,粒子易团聚,难以分散等仍然是当今难题,尤其是在化学湿法制备过程中表现

得更为突出。如何提高纳米氧化铁粒子的分散性能和改善其表面性能;如何低成本、规模化合成纳米氧化铁,并有效控制纳米氧化铁粒子的形貌和粒径,是从事纳米材料研究的科技工作者关注的焦点和追求的目标。【3】

纳米氧化铁粒子由于具有良好的磁性、耐光性,对紫外光具有强吸收和屏蔽效应,可广泛用于新型磁性记录材料、电子、涂料、橡胶、油墨、塑料、催化剂及生物医学等领域。因此,纳米氧化铁粒子的制备日益引起科技工作者的重视,了解和掌握纳米氧化铁粒子的各种制备方法,具有十分重要的理论价值和现实意义。纳米材料的制备方法通常包括:物理方法、化学方法和综合方法,目前国内外科技工作者制备纳米氧化铁粒子通常采用各种不同的化学方法,归纳起来可分为胶体化学法、水热法、固相法、沉淀法和水解法等类型。

纳米氧化铁的应用很广泛，如下：

1、在磁性材料中的应用：磁性纳米粒子由于其特殊的超顺磁性，在巨磁电阻、磁性液体和磁记录、软磁、永磁、磁致冷、巨磁阻抗材料以及磁光器件、磁探测器等方面具有广阔的应用前景【4】。纳米氧化铁是新型磁记录材料，在高磁记录密度方面有优异的性能，记录密度约为普通氧化铁的10倍【5】。利用铁基纳米材料的巨磁阻抗效应制备的磁传感器已经问世，包覆了超顺磁性纳米微粒的磁性液体也被广泛用在宇航和部分民用领域作为长寿命的动态旋转密封。软磁铁氧体在无线电通讯、广播电视、自动控制宇宙航行、雷达导航、测量仪表、计算机、印刷、家用电器以及生物医学领域均得到了广泛应用。

2、在颜料领域中的应用：用纳米氧化铁作为颜料，既保持了一般无机颜料良好的耐热性、耐候性和吸收紫外线功效等优点，又能很好地分散在油性载体中，用它调制的涂料或油墨具有令人满意的透明度。利用具有半导体特性的纳米氧化铁等做成涂料，由于具有较高的导电特性，能起到静电屏蔽作用。将能吸收某些波长光线的透明氧化铁颜料包覆在干涉型的珠光颜料上，如与闪光铝浆混用便形成一种组合颜料(combination pigment)。用这种组合效应颜料制成的轿车闪光漆，在正视或侧视时不仅看到颜色在明度上、饱和度上或色调上有差异，而且会看到真正不同的颜色，即所谓的tOw—color效应【6】。这种漆具有很鲜艳的色彩，tow—color效应给人以丰满和富丽堂皇的质感，而且保色、保光性良好。

3、在催化领域中的应用：用纳米粒子制成的催化剂的活性、选择性都高于普通的催化剂，并且寿命长、易操作。将用纳米a—Fe2 O3。做成的空心小球，浮在含有有机物的废水表面上，利用太阳光进行有机物的降解可加速废水处理过程。美国、日本等对海上石油泄露造成的污染进行处理时采用的就是这种方法【7】。纳米a—Fe2 O3。已直接用作高分子聚合物氧化、还原及合成的催化剂。纳米a—Fe2 O3。催化剂可使石油的裂解速度提高1～5倍，以其作为燃烧催化