纳米fe3o4研究进展

纳米Fe304制备应用的研究进展B12070505李艳艳摘要：纳米结构的Fe304具有与生物组织的相容性以及与尺寸和形貌有关的电学和磁学性能，在磁流体、传感器、水处理和生物医药等领域具有广泛的应用前景。Fe304纳米结构的主要制备方法包括高温气相法、高温有机液相回流法、溶剂热法和水热法等。已经制备出各种纳米结构单元的Fe304，如:零维纳米颗粒，纳米颗粒组装的纳米链，纳米颗粒组装的微球，一维纳米线、棒、二维纳米片以及三维的金字塔、八面体、核桃状球形纳米颗粒等。该文综介绍这些制备方法的特点及其近期的研究进展，并对Fe304纳米结构的性质和应用进行综述，最后对Fe304纳米材料未来的发展进行展望。关键词：纳米Fe304、制备、应用、研究进展纳米粒子一般是指颗粒尺寸在1—100nm之问具有量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应、库仑堵塞和介电限域效应的超细粒子，这些效应使它有不同于常规固体的新特征，如比表面积、表面原子数、表面能很大，且随粒径的下降急剧增加。目前，国内外科技工作者在制备纳米氧化铁上的方法总体上可分为湿法(WetMethod)和干法(DryMethod)[1]。Fe304是一种非常重要的磁性材料，其结构为立方相反尖晶石结构。在Fe304晶体中，Fe阳离分别处于氧四而体间隙位置(A位)和氧八而体的间隙位置((B位)。由于A位间隙比B位小，A位全是半径较小的Fe3+，而B位由Fe3+和另一些Fe3+占据。位于B位的Fe2+和Fe3+之间的电子传递使得Fe304具有独特的电学和磁学性能，因而被广泛用作磁流体、磁记录材料等[2]。纳米尺度的Fe304具有与生物组织的相容性以及与尺寸和形貌有关的电学和磁学性能，在磁性墨水、电子与生物敏感材料、高密度磁记录介质和生物医药等领域具有广泛的应用[3-5]。近年来Fe304纳米结构的研究异常活跃，本文较全面地介绍Fe304纳米结构的制备、性质和应用，并对今后的研究工作进行展望。1Fe304纳米材料的制备近年来制备纳米Fe304中各方法如沉淀法(共沉淀法、氧化沉淀法、还原沉淀法、交流电沉淀法和络合物分解法)、水热法、水解法、微乳液法、固相法、球磨法、超声波法、热解法、水溶液吸附分散法等，本文就以下几种方法具体分析。1.1高温气相法JENNYRM等[6]研究组以Fe304粉末为靶相，利用脉冲激光沉积技术((PLD)制备出Fe304纳米线，该技术的设备较昂贵，不利于大规模生产。LIUZQ等[7]首先在Si/Si02衬底上生长出Mg0纳米线，之后用脉冲激光沉积技术将Fe304沉积在Mg0纳米线上，得到Mg0/Fe304核壳纳米线，除掉Mg0得到直立的Fe304纳米管，由此可见，反应分多步进行，相对较复杂，且很难可控合成，重复性差,设备较昂贵，产率低，操作复杂，能耗较高，不宜大规模生产。1.2.高温有机液相回流法高温有机液相回流法一般是指在Ar、N2等惰性气体的保护下，以金属有机化合物(五拨基铁、乙酞丙酮铁)和某些无机铁盐为原料，在有机溶剂(油酸、油胺、十八烯、辛醚、苯甲醚)中进行回流制备纳米颗粒的方法。WILLIAMWY等[8]在Ar气保护卜将Fe0(OH)粉，油酸和十八烯在320℃回流得到Fe304纳米颗需要的反应温度相对较高。1.3沉淀法沉淀法是通过化学反应使原料的有效成分生成沉淀，然后经过滤、洗涤、干燥、烘干得到纳米粒子，该法操作较简单，是一种较经济的制备纳米Fe304的方法。在直接沉淀法的基础上经过发展又得到了共沉淀法、氧化沉淀法、还原沉淀法、交流电沉淀法和络合物分解法等。例如共沉淀法通常是把Fe(3+)和Fe（2+）盐溶液以2：1(或更大)的比例混合，在一定温度和pH值下加入过量(2-3倍)的NH40H或NaOH,高速搅拌进行沉淀反应，然后将其沉淀洗涤、过滤、干燥、烘干，制得尺寸为8一10nm的纳米Fe304微粒。丁明等人[9]采用中和沉淀法制备了纳米Fe304微粒，并得到了生成纳米Fe304微粒必须满足的基本条件。1.4微乳液法微乳液是由表面活性剂、油相、水相及助溶剂等在适当比例下混合白发形成的热力学稳定体系，具有透明(或半透明)、低x度、各向同性、分散相液滴极其微小和均匀等特点。反相(即W/O型)微乳液中的水核是一个“微型反应器”，化学反应被限制在水核内部，可有效避免颗粒之问的进一步团聚。因而得到的纳米粉体粒径分布窄、形态规则、分散性能好且大多数为球形。某些微乳液胶束还具有保持稳定尺寸的能力(即白组装特性)，所制备的纳米微粒具有通常直接反应难以得到的均匀尺寸，所以又将其称为智能微反应器(IntelligentMicroreactors)成国祥等人[10]采用反相微乳液法制备了15nm以下的Fe304纳米微粒，且纳米微粒微乳液均一稳定。2Fe304纳米结构的性质和应用目前，Fe304纳米颗粒由于其生物相容性好，以及小尺寸引起的磁学性能，广泛用于传感器、磁流体和生物医药等领域。2.1磁性材料的应用Fe304纳米微粒具有单磁畴结构并且矫顽力很高，用做磁记录材料可以提高信噪比，改善图象质量，且廉价易得，可降低生产成木;同时Fe304纳米粒子还具有较高的饱和磁化强度，故常被用来制备磁流体，既有固体的强磁性又有液体的流变性，并且流动性和分布可由外加磁场实施定向和定位控制，因此在航空技术·快速印刷等领域得到广泛应用。ZOUGF等[11]合成了不规则碎片Fe304纳米晶，其饱和磁化强度、余磁化强度和矫顽力分别是78750/15220和14049.4A/m，显示出铁磁行为。2.2治理重金属污水的应用目前，磁性纳米颗粒在环境领域的应用受到人们的广泛关注。纳米Fe304本身具有的高比表面积和表面原子配位不足等特点，使其对金属离了具有很强的吸附能力，且纳米Fe304超顺磁性使其容易实现磁分离，避免材料的浪费和对环境可能造成的二次污染。因此，Fe304磁性纳米粒了可直接用于重金属污染水体治理。雷国元等[l2]研究发现，中性条件下，细粒磁铁对Cu2+、Zn2+和Ni2+的吸附去除率近100%，此外它还对水中微量的Mn2+和Fe2+有一定的吸附去除能力纳米Fe304本身具有的强磁性以及较高的比表面积，使得Fe304纳米颗粒有着强烈的聚集倾向，为了增强其分散性和稳定性，同时改善其生物相容性和反应活性，有必要对其进行功能化修饰和包覆处理。2.3生物医药材料的应用Fe304纳米微粒的生物相溶性好且无毒副作用，可用于生物医学多个领域，如细胞标记和分离、核磁共振造影剂、导向药物载体和肿瘤磁过热疗法等磁性Fe304高分子微球作为1种新的缓释靶向给药系统，是抗癌药物和磁性超微粒通过溶剂挥发或高分子聚合而得，并在足够强的外磁场作用卜定位于癌变部位，然后在癌变组织的细胞或亚细胞水平发挥药效作用，以达到减少用药量，提高药物治疗指数，降低药物毒副作用的目的，可以用来减轻病人的痛苦和经济负担。2.4食品安全检测中的应用传统的食品安全检测技术和方法受到检测时间、选择性、样品前处理技术以及样品复杂基质的干扰等因素的影响，已经不能满足快速特异性检测的要求。随着纳米材料的快速发展，纳米材料在食品安全检测领域的应用越来越多，利用磁性纳米材料对检测物的预分离和富集浓缩作用，再结合传统的检测技术，能够获得高灵敏度、高通量、快速的食品安全检测方法，支援等[13]在pH7.2的磷酸盐溶液中，将氨基修饰过的Fe304/Si02粒子交联偶上阪崎肠杆菌多克隆抗体，通过对人工污染的乳制品采用量子点荧光标记法(QDs)检测，由于QDs发光效率高、光化学稳定好、产生高强度信号可提高检测的灵敏度。3结语随着高科技的迅速发展和对合成新材料的迫切需要，纳米Fe304的开发、研究必将受到更高度的重视。现在采用的各纳米氧化铁不仅具有纳米材料的优异性能，而且成本低。随着科学技术的不断发展，纳米Fe304的各种制备方法还在不断交叉、渗透。然而，如何提高超细粒子的分散性和改善粒子表面性能，有效控制纳米Fe304的尺寸和形貌，以及利用这些尺寸与形貌之间的对应关系，来研究纳米Fe304的新颖性能，实现纳米Fe304的工业化生产，是纳米氧化铁材料科技工作者未来的主要任务之一。参考文献[1]何运兵、邱祖民制备纳米Fe304的研究进展[J]化工科技，2004,12(6):52一57[2]郑雅杰，刘昭成.氧化铁的制备方法及应用[J]粉末冶金材料科学与上程，2007,12(4):197-204.[3]SAHOOY,GOODARZIA,SWIHARTMT,.AqueousFerrarifluidofmagnetiteNanparticles:Fluorescencelabelingandcontrol[J].JPhysChemo,2005,109(9):3879-3885.[4]PEIKOVVT,JEONKS,LANEAM.Transversesusceptibilityofmagneticinksmillingprocess[J].JMainMater,1999,193(1/3):311-313.[5]CAODF,HEPL,HUNF.chemicalbiosensorsutilizingelectrontransferinhemproteinsimmobilizedonFe304nanoparticles[J].Analyst,2003,128:1268-1274[6]JENNYRM,DINGY,MICHAELSH,PLD-assistedVLSgrowthofalignednimrods,NanwiresandNanbelts-synthesis,andproperties[J].JPhysChem.B,2006110(43):21672-21679.[7]LIUZQ,ZHANGDH,HANSSinglecrystallinemagnetitenametapes[J].JAmChem.Soc,2005,127(1):6-7[8]WILLIAMWY,JOSHUACF,CAFERTY.SynthesisofironoxideNancrystalsbythermaldecompositionofironcarboyatesalts[J]Chem.Common,2004,2306-2307.[9]丁明,曾桓兴，中和沉淀法Fe304的生成研究[J]无机材料学报，1998，13(4):619一624.[10]成国祥，张仁，柏万怡等，反相胶束微反应器的特性与Fe3O4米微粒制各[J]，兵器材料科学与工程1998,21(6).27一30.[11]ZOUGF,XIONGK,JIANGCLanodizesynthesisonalargescalerecess[J].Nanotechnology,2005,16.MagneticFe304viaaattractant-assisted,584-15RR.[12]雷国元.重金属离子吸附剂的研究进展[J].国外金属矿选矿，2000,37(10):2-6.[13]支援，孟瑾，郑小平等一种快速检测阪崎肠杆菌的新方法一免疫磁性分离荧光标记[[J]乳业科学与技术，2010CS):231-233，245.