王彥

摘? ?要：四氧化三鐵納米材料，在很多行業(yè)中有著良好的應(yīng)用前景。立足于四氧化三鐵的性質(zhì)與結(jié)構(gòu)，分析了制備方法，并討論了四氧化三鐵納米材料的制備在多個(gè)方面的應(yīng)用，以供參考。

關(guān)鍵詞：四氧化三鐵;納米材料;制備;應(yīng)用

四氧化三鐵納米粒子化學(xué)性質(zhì)較為穩(wěn)定，粒徑能夠降到幾納米，有著極高的催化活性以及很好的磁響應(yīng)與耐候性等優(yōu)點(diǎn)，可以在多個(gè)方面進(jìn)行合理運(yùn)用。比如，汽車(chē)面漆與皮革方面、塑料與涂料方面、催化劑與組織工程方面等，與此同時(shí)，有望探索新的用途。本研究針對(duì)四氧化三鐵納米材料的制備及其在各方面的運(yùn)用進(jìn)行了分析和論述。

1? ? 四氧化三鐵性質(zhì)與結(jié)構(gòu)

鐵氧化物可以劃分成3種類(lèi)型，即四氧化三鐵、一氧化鐵與三氧化二鐵，其化學(xué)名稱(chēng)是Fe3O4、FeO、Fe2O3，而M（Fe3O4）=231.540。四氧化三鐵為黑色晶狀固體，是電的導(dǎo)體，具備磁性，同時(shí)，不溶于水，還有還原性與氧化性。四氧化三鐵高溫有氧加熱容易氧化成三氧化二鐵;還易于被還原性強(qiáng)的物質(zhì)還原成鐵單質(zhì)。經(jīng)過(guò)X-射線衍射能夠發(fā)現(xiàn)：四氧化三鐵化合物是以Fe2+與Fe3+混合氧化態(tài)構(gòu)成，屬于反尖晶石結(jié)構(gòu)。

2? ? 四氧化三鐵納米材料的制備方式分析

通常而言，影響納米四氧化三鐵性能的核心因素有結(jié)晶度與磁飽和量、粒徑與矯頑力等。不一樣的性能，其適用范圍不同，如此看來(lái)，四氧化三鐵納米粒子制備方式存在著一定的差異性。四氧化三鐵納米粒子制備方式的關(guān)鍵為物理與化學(xué)方式。物理方式中具有代表性的就是機(jī)械球磨方式，該制備方式簡(jiǎn)單，可是所花時(shí)間長(zhǎng)，顆粒大小不同，產(chǎn)品純度不高，所以，該方式制備出來(lái)的納米材料不能滿(mǎn)足科學(xué)領(lǐng)域的需求。當(dāng)下制備四氧化三鐵納米粒子的常用法為化學(xué)方式，合成的納米粒子很穩(wěn)定，形狀可以控制，同時(shí)，可以單分散，該制備方式程序簡(jiǎn)單，費(fèi)用低。當(dāng)下制備納米四氧化三鐵的方式較多，比如熱液、沉淀與熱水解方式等。

2.1? 水熱方式

這種方法也被稱(chēng)為熱液方法，從宏觀角度而言涵蓋了水溶劑熱方式以及溶劑熱法。反應(yīng)是于高壓和高溫下的水溶液中展開(kāi)的，因此，一定形式的前驅(qū)物質(zhì)會(huì)產(chǎn)生和常溫下不一樣的性質(zhì)，比如，溶解度提高、化合物晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型、離子活度加強(qiáng)等。近期，水熱方式在制備多種無(wú)機(jī)納米材料中運(yùn)用甚廣。使用四氧化鐵和氧化氫提供鐵源，去離子水當(dāng)成溶劑，氫氧化鈉當(dāng)作沉淀劑，α-丙二醇是助劑，采用水熱方式一步構(gòu)成八面體狀的磁性四氧化三鐵納米微粒。發(fā)現(xiàn)其粒子平均邊長(zhǎng)是500 mm，晶狀可經(jīng)過(guò)不一樣的方向使生長(zhǎng)速率得以把控，同時(shí)，簡(jiǎn)述了四氧化三鐵八面體的生長(zhǎng)模式。得到的四氧化三鐵八面體于室溫中的比飽和與磁化強(qiáng)度以及矯頑力分別是87 emu/g左右與95 Oe，伴隨溫度的提高，He值降低，是因?yàn)橛行Т鸥飨虍愋园殡S試驗(yàn)溫度提升而下降。而楊華等通過(guò)水熱方式得到的粉末是單一相的四氧化三鐵納米顆粒，99%的粒子尺寸在100 nm以下，得到的水基磁流體為穩(wěn)定的膠體體系，于320 mT中并沒(méi)有顯著的分層現(xiàn)象，在可見(jiàn)光照射以及磁場(chǎng)相互作用中，肉眼能夠看到明亮的光環(huán)，根據(jù)丁達(dá)爾現(xiàn)象可以了解到，出現(xiàn)光環(huán)表示溶膠粒子尺寸比可見(jiàn)光波長(zhǎng)，在1～100 nm。

綜上所述，制備方式都是將水當(dāng)成溶劑，而有機(jī)溶液被當(dāng)成溶劑也是合成四氧化三鐵納米粒子的常用方法。將FeCl3·6H2O當(dāng)作單一鐵源，乙二醇當(dāng)作溶劑，醋酸鈉當(dāng)成沉淀劑，在表面活性劑聚乙烯吡咯烷酮產(chǎn)生的情況下合成初級(jí)納米晶核構(gòu)成的多孔磁性四氧化三鐵納米球[1]。

采用水熱方式制備出來(lái)的四氧化三鐵納米微粒有著很高的純度，同時(shí)，分散性極好，可是操作步驟比較復(fù)雜，對(duì)于設(shè)備方面的要求較高，成本支出大，因而還需要將其進(jìn)行改進(jìn)。

2.2? 熱水解方式

熱分解方式是獲取四氧化三鐵納米微粒常用的方法之一。常見(jiàn)的金屬有機(jī)化合物為羰基金屬鹽等，穩(wěn)定劑涵蓋了十六胺與脂肪酸等。一般將鐵的有機(jī)配合物溶于沸點(diǎn)較高的有機(jī)溶劑中，嚴(yán)格把控反應(yīng)條件，從而制備出相應(yīng)的產(chǎn)物。孫守恒于二苯醚內(nèi)通過(guò)三乙酰丙酮鐵作為前驅(qū)體，油胺與油酸作為活性劑，在試驗(yàn)過(guò)程中添加1， 2-十六烷二醇當(dāng)成混合溶劑，于300 ℃下反應(yīng)0.5 h，進(jìn)而制備出平均粒徑是4 nm的四氧化三鐵納米粒子，與此同時(shí)，粒徑大小差不多。Wang等把2 nmol的三乙酰丙酮鐵溶于20 mm的二苯醚內(nèi)，接著把10 nmol的1， 6-己二醇加入這一溶液當(dāng)成混合溶劑，于220 ℃下反應(yīng)10 h，制備出直徑為300 nm的亞微中空球狀四氧化三鐵。Gao等在油胺與油酸出現(xiàn)的情況下，把三乙酰丙酮鐵當(dāng)成前驅(qū)體于260 ℃中合成單分散四氧化三鐵納米管。經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)反應(yīng)參數(shù)，制備出來(lái)的四氧化三鐵納米微粒形狀能夠在球體以及立方體間相互可逆交換。Woo等把五羧基全鐵當(dāng)作前驅(qū)體，油酸當(dāng)作表面活性劑，辛醚當(dāng)成溶劑，經(jīng)過(guò)調(diào)整五羧基全鐵與油酸比例，獲取到直徑是5、11與19 nm的四氧化三鐵納米顆粒。而Park等使用相同的方式，配制五羧基全鐵與油酸比例為1∶1和1∶2、1∶3，分別獲取到直徑是4、8、12 nm的四氧化三鐵納米顆粒[2]。

通過(guò)上述研究可以發(fā)現(xiàn)，高溫?zé)岱纸夥绞剿苽涞募{米粒子有著一定的分散性，且有粒徑分布不廣 、尺寸小等優(yōu)勢(shì)，可是制備出來(lái)的納米粒子一般僅僅溶解在有機(jī)溶劑中，環(huán)境不友好，且有機(jī)金屬前驅(qū)體成本高，會(huì)提高生產(chǎn)成本，所以，不適于進(jìn)行大量生產(chǎn)。

2.3? 溶膠凝膠方式

這種方式是將凝膠作為基質(zhì)，經(jīng)過(guò)重結(jié)晶，生產(chǎn)高度分散的納米顆粒。一般是把1∶2 nmol的Fe2+與Fe3+混合，接著添加適當(dāng)?shù)挠袡C(jī)酸調(diào)整溶液的pH，使其慢慢變成凝膠。溶膠凝膠方式的過(guò)程為：（1）水解;（2）單體出現(xiàn)縮聚反應(yīng)構(gòu)成顆粒;（3）顆粒變大;（4）顆粒積聚。然后于液相中構(gòu)成網(wǎng)狀，溶膠變稠構(gòu)成凝膠。Tang等通過(guò)溶膠凝膠方式制備四氧化三鐵納米帶，分別將FeCl3·4H2O當(dāng)成原料，一水合成檸檬酸，抗壞血酸當(dāng)作抗氧化劑與無(wú)水乙醇當(dāng)成溶劑混合溶液，在60 ℃中拌和6 h，接著添加0.1 mL的二甲基甲酰胺（Dimethylformamide，DMF），使用浸漬提拉工藝把這一溶液涂抹于硅玻璃基底中。放在100 ℃下烘干，在400 ℃下加熱0.5 h獲取到四氧化三鐵納米粒子[3]。周潔等采用四氧化鐵提取鐵源，把KOH與KNO3溶液和其攪拌以后獲取到墨綠色的溶膠，于90 ℃水浴情況下反應(yīng)4 h獲取到四氧化三鐵凝膠，通過(guò)磁性分離以后制備出四氧化三鐵納米粒子。通過(guò)研究可以了解到，通過(guò)把控反應(yīng)體系里面的OH﹣與Fe2+濃度，能夠制作出尺寸不一樣的顆粒。

溶膠凝膠方式的制備過(guò)程擁有反應(yīng)溫度低、產(chǎn)品尺寸不大、凝膠速度緩慢以及合成時(shí)間長(zhǎng)的特征?？墒沁@樣的制備方式可以充分區(qū)別晶體成核與生長(zhǎng)的過(guò)程，進(jìn)而防止晶體于生長(zhǎng)中產(chǎn)生大量聚沉現(xiàn)象，獲取的產(chǎn)物有著極高的純度，粒徑分布范圍較小，均勻性甚佳。這一方式的不足之處就是生產(chǎn)費(fèi)用高，同時(shí)，在烘干過(guò)程中易發(fā)生開(kāi)裂的現(xiàn)象。

3? ? 應(yīng)用探索

3.1? 能源儲(chǔ)存

能源匱乏是亟待處理的問(wèn)題，所以，能源儲(chǔ)備是很重要的。超級(jí)電容器是一種關(guān)鍵的能源儲(chǔ)備裝置，吸引了人們的注意力，超級(jí)電容器有著很好的脈沖放電性能與容量大的儲(chǔ)能性能，再加上循環(huán)時(shí)間長(zhǎng)、對(duì)環(huán)境零污染以及充電速度快等優(yōu)點(diǎn)，是介于以往靜電電容器與化學(xué)電源間的全新儲(chǔ)能元件。電極材質(zhì)是組成超級(jí)電容器的核心部分。過(guò)渡金屬氧化物納米材料因?yàn)橛兄容^特殊的結(jié)構(gòu)、機(jī)械與電子性能，于電容器內(nèi)能夠體現(xiàn)出各種氧化態(tài)，演變成現(xiàn)下熱門(mén)的超級(jí)電容器電極材質(zhì)。四氧化三鐵是金屬氧化物，具備各種氧化價(jià)態(tài)，環(huán)境友好且資源比較豐富，是潛在性超級(jí)電容器電極材質(zhì)。陳等人使用水熱方式制備出了反尖晶石結(jié)構(gòu)，形貌為球狀，于電解液1 mol/L Na2SO3溶液里，展開(kāi)循環(huán)伏安與交流阻抗等檢測(cè)，對(duì)該性能加以研究。實(shí)驗(yàn)表明，四氧化三鐵電極于工作電位范疇以?xún)?nèi)有著非常好的電容特性。

3.2? 生物醫(yī)藥

伴隨醫(yī)學(xué)的持續(xù)發(fā)展與進(jìn)步，人類(lèi)對(duì)醫(yī)藥質(zhì)量與科技含量要求提高。因?yàn)樗难趸F性質(zhì)較為穩(wěn)定，生物相容性甚佳，與此同時(shí)不會(huì)危害到人體，所以，運(yùn)用在生物醫(yī)藥的各大領(lǐng)域。在醫(yī)藥治療階段，會(huì)促使醫(yī)藥對(duì)健康的細(xì)胞帶來(lái)不良影響，這是由于醫(yī)藥于靜脈注射以后是非定向、沒(méi)有規(guī)則分布的，并且不一樣的藥品相互間有著彼此作用的效果，會(huì)導(dǎo)致藥物效果喪失。所以，需要把藥物固定于修飾以后的納米顆粒表面，接著把磁性納米顆粒結(jié)合在載體溶液中，經(jīng)過(guò)靜脈注射于人體中。于外加磁場(chǎng)作用下，藥物可以定向運(yùn)輸至某個(gè)特定位置，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)治療。采取該種方式，能夠避免藥物損害正常組織，同時(shí)，于病變位置構(gòu)成濃度高的藥物環(huán)境，促使治療效果獲得提升。Sun經(jīng)過(guò)構(gòu)成單分散性良好的超順磁多孔四氧化三鐵空心顆粒，同時(shí)，成功將其應(yīng)用于運(yùn)輸抗癌藥物。在四氧化三鐵空心顆粒中空心內(nèi)裝置藥物，接著將其運(yùn)輸至靶向癌細(xì)胞，于細(xì)胞內(nèi)酸性溶媒體下，慢慢溶解，孔徑長(zhǎng)大，藥物釋放于細(xì)胞內(nèi)，如此能夠有效消除癌細(xì)胞。并且，因?yàn)榭招那驓拥谋Ｗo(hù)作用，藥物于運(yùn)輸中未曾由于和血漿蛋白作用而出現(xiàn)鈍化。再者，該種靶向治療方式可以有效減輕醫(yī)藥用量。

3.3? 化學(xué)催化

因?yàn)榧{米催化材料有高比表面積與一定的催化活性，可以運(yùn)用于多相催化反應(yīng)體系內(nèi)，可是因?yàn)檫@部分超細(xì)粉體很難回收與分離，造成資源浪費(fèi)，且局限了納米催化材料的使用范圍。因?yàn)樗难趸F納米材料與其復(fù)合物尺寸較小，大于表面積，同時(shí)，制備中產(chǎn)生了諸多不平整的孔狀結(jié)構(gòu)，擴(kuò)大了化學(xué)反應(yīng)接觸面積，如此提高了材料反應(yīng)效率與催化活性。假設(shè)把有催化活性的組分附著于四氧化三鐵納米顆粒中，能夠獲得核殼結(jié)構(gòu)的催化納米材料。如此不僅可以保留催化材料原本的高度催化活性，還可以促使催化劑易于從反應(yīng)體系內(nèi)回收，進(jìn)而減少反應(yīng)成本。近期，伴隨工業(yè)科學(xué)技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，環(huán)境污染問(wèn)題加劇，引起了人類(lèi)的關(guān)注。怎么解決工業(yè)廢水發(fā)展成環(huán)保部門(mén)以及專(zhuān)家們探索的核心課題，對(duì)于如何有效處理污水里面的污染物，相關(guān)人士提出了諸多新構(gòu)思，部分研究表示，可將純粹的二氧化鈦當(dāng)成光催化劑放在污水內(nèi)催化光降解，但是如此無(wú)法有效對(duì)催化劑加以回收，導(dǎo)致資源浪費(fèi)，同時(shí)，剛添加到體系內(nèi)的催化劑會(huì)一并沉淀下去，進(jìn)而帶來(lái)新的污染。使用二氧化鈦包覆四氧化三鐵納米顆粒，制備出復(fù)合磁性催化劑材料，不但有其原來(lái)的催化活性，還可以作用于外磁場(chǎng)，便于回收與再次使用添加的催化劑。

4? ? 結(jié)語(yǔ)

四氧化三鐵納米粒子由于其良好的物理化學(xué)性質(zhì)、來(lái)源渠道廣、價(jià)格較低等優(yōu)點(diǎn)，會(huì)吸引越來(lái)越多的關(guān)注。伴隨信息科技的持續(xù)發(fā)展，四氧化三鐵納米材料的制備方式愈發(fā)健全，多種方式持續(xù)交叉與滲透，進(jìn)而獲取到新的制備方式，同時(shí)，運(yùn)用范圍甚廣?？墒?，四氧化三鐵納米材料制備中也有各種各樣的問(wèn)題，因此，未來(lái)研究的核心應(yīng)當(dāng)為催化劑活性組分和磁性載體間的作用、載體與催化劑活性影響等問(wèn)題。

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