纳米氧化铁材料的制备

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1、课题名称姓 名一院 系专业班级 指导教师一2009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、凝胶一溶胶关键词:纳米氧化铁水热法，沉淀法，固液气相法，比较法、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。前言前言：纳米氧化铁作为纳米新材料中的一类重要氧化物，由于其化学性质稳 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

2、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

3、。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

4、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NE

5、C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2000C至3000C 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

6、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X20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 子品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 造出纳米品体管，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

7、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

8、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

9、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

10、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-col

11、or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aFe2O3。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aFe2 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aFe2 O3。催化剂可使石油的裂解速度提高15倍，以其作为燃烧催化 剂制成的固体推进剂的燃烧速度较普通推进剂的燃烧速度可提

12、高110倍，这对 制造高性能火箭及导弹十分有利。4、在气敏材料方面的应用：根据纳米粒子的表面效应，当外界环境发生变化 时，粒子表面或界面上的离子价态和电子亦发生变化的特点，可将纳米氧化铁制 成灵敏的传感器，用于H2,乙醇、CO及其他有毒气体的检测。纳米a-Fe2咙是含 有一定量氧空位的N型半导体材料，环境中的氧分子易俘获材料导带中的电子而 吸附在晶粒表面，吸附氧的产生使晶界附近形成电子缺失层，材料电导主要由表 面电子缺失层的电导贡献，即与其表面的氧解离和吸附是密切相关的。适当掺杂 重金属(如 Pb2+, N2+, La34, Sn4+, Ti4+, Zr4+等)可使纳米 a-Fe203:的电导

13、和 灵敏度得以显著提高。掺杂Srco;也可以提高a-Fe203粉体对气体的灵敏度，闰 涛等认为可能是因为S产十与Fe3+半径接近，5产十占据Fe203刚玉结构中Fe3+ 的位置而形成固溶体，从而使导电电子增多的缘故。【8】5、在生物医学方面的应用：人们利用纳米级粒子可使药物在人体内的传输更 为方便这一特点，将磁性Fe203;纳米粒子制成药物载体，通过静脉注射到动物 体内，在外加磁场作用下通过纳米微粒的磁性导航，使其移动到病变部位达到定 向治疗的目的，德国柏林沙里特临床医院的专家们利用癌细胞耐热性差，加热全 43r以上就死亡的特点，将纳米氧化铁微粒注入肿瘤内，并将患者置于交变磁 场中，受磁场影响

14、，肿瘤内的纳米氧化铁微粒升温至4547、C，杀死癌细胞且不 会伤及周围的正常组织。此外，纳米氧化铁在药用胶囊，药物合成，生物医学技 术等领域也发挥着重要的作用，如文献【9】用纳米氧化铁制成表面功能化磁性 微球，应用于核酸分离与固定化酶中。6、在其它领域中的应用：纳米aFe2 03。除了在磁性材料、颜料、催化领 域得到应用外，在国民经济其它领域中也有广泛的应用前景。如用纳米a-Fe0。 制成的气敏材料，具有响应速度快、选择性强、灵敏度高、稳定性好等特点。在 制备透明氧化铁时，若严格控制神和重金属的含量，则可用于药品、食品、化妆 品等方面【10】。此外，利用纳米级粒子使药物在人体内的传输更为方便这

15、一特 点，将磁性aFe203。纳米粒子制成药物载体，通过静脉注射到动物体内。在 外加磁场作用下通过纳米微粒的磁性导航，使其移动到病变部位可达到定向治疗 的目的。【11】研究意义：作为最为稳定的铁氧化物，aFe2 03因其价格低廉、无毒和环境友好等特 点而具有重要的科学和技术价值。aFe2 03在催化、气体传感器、吸附剂、颜 料、离子交换剂和磁性元件等领域具有潜在的应用价值，因此关于aFe2 03 的应用研究被广泛关注。因为aFe2 03在许多催化反应中具有高的催化活性和 稳定性，所以将其作为催化剂或催化剂载体的应用研究是最受关注的方向之一。目前，国内外科技工作者在制备纳米微米氧化铁上的方法上总

16、体可分为湿 法和干法。湿法多以工业绿矶、工业氯化(亚)铁或硝酸铁为原料，采用空气氧 化法、化学共沉淀法、水热法、强迫水解法、凝胶一溶胶法、微乳液法等方法制 备，干法常以拨基铁Fe(CO)5或二茂铁(FeCP2)为原料，采用火焰热分解、气相 沉积、低温等离子化学气相沉积法(PCVD)或激光热分解法制备。分析这些制备方 法不难看出，除空气氧化亚铁盐方法外，其他方法虽能制得形貌完好、粒径分布 窄的氧化铁纳米粒子，但由于生产成本高，除满足一些特殊需求外，由于原料 或工艺的原因无法大规模工业化生产。随着科学技术的不断发展，纳米氧化铁的各种制备方法还在不断交叉、渗透， 不断发展。纳米氧化铁不仅具有其它纳米材料的优异性能，而且价廉，用途极广。 然而，纳米氧化铁的制备过程中处理温度高、粒子易团聚、难以分散等问题一直 是科技工作者所面临的难题，只有解决了这些问题才可以真正实现纳米材料的工 业化。在今后时间内，如