共沉淀法和燃烧法制备纳米Fe3O4及其磁性能研究

高慧昀，王晓丽

（毕节学院 物理科学与技术学院，贵州 毕节 551700）

近年来，磁性铁氧化物（尤其是Fe3O4）越来越受关注，由于具有特殊的磁导向性、超顺磁性，以及表面可连接生化活性功能基团等特性，使其在颜料、磁共振成像、磁给药、铁液、录音材料、催化剂及数据存储等方面具有广泛应用［1－3］。磁铁矿纳米粒子的超顺磁特性源于颗粒磁化循环时的微弱能量［4］。目前，Fe3O4已经可以通过多种方法制备，如电弧放电法，机器研磨法，激光烧蚀法，以及高温有机分解法等［5］，最常用的是共沉淀法、热水法及溶胶－凝胶法［6－8］。燃烧法也是合成纳米颗粒的一种有效方法［9－13］，已被用于合成不同的氧化物，其中包括铁氧体和钙铁矿等，但用于制备Fe3O4纳米颗粒的研究很少。试验采用共沉淀法和燃烧法制备纳米Fe3O4颗粒，并对其微观结构、光学特性和磁性进行研究。

1 试验部分

1．1 试验材料

试验所用试剂：六水氯化铁（FeCl3·6H2O），四水氯化亚铁（FeCl2·4H2O），氨溶液（26%，Aldrich公司），硝酸铁，甘氨酸，淀粉，硝酸铵，均为分析纯。

1．2 试验方法

1．2．1 共沉淀法

按2∶1的质量比配制氯化铁和氯化亚铁混合溶液。将溶液在50℃下加热10min，然后在50℃的磁性搅拌器中加氨水连续搅拌至产生黑色沉淀物（氧化铁）。用强磁性磁铁将这些沉淀物颗粒分离出来，用蒸馏水多次洗涤，最后放置于100℃的热空气炉中加热10h。

制备过程的总反应为

1．2．2 燃烧法

用硝酸铁作氧化剂，甘氨酸、硝酸铵和淀粉作燃料。按化学计量称取原料，用研钵研磨混匀。把石英坩埚加热到约500℃，将研磨后的混合物放入坩埚中加热2h，最后，收集黑色粉末。

1．3 试样的特性观察

用X射线衍射仪分析Fe3O4纳米颗粒的物相组成（Cu－Kα射线，扫描范围20°～70°，扫描速度21次／min），用X′pert high score plus软件计算颗粒的结构和晶胞参数，用JEOL JSM 6480 LV扫描电子显微镜观测试样表面形貌，用投射电子显微镜（TEM）观察颗粒的形态和大小，用UV CARY 100紫外－可见光谱扫描仪研究试样的光学特性。室温下，用Quantum Design公司的磁强计研究试样的磁特性。

2 试验结果与讨论

图1（a）为共沉淀法制备的Fe3O4纳米颗粒的X－射线衍射图。可以看出，XRD衍射峰清晰可见，层次分明，没有次杂峰，说明试样具有良好的结晶性和均一性，纯度较高。

图1（b）为燃烧法制备的Fe3O4纳米颗粒的XRD图。与共沉淀法制备的试样相比，其X射线衍射峰相对较宽，更具有纳米晶体特性。与标准卡（JCPDS，No．88－0315）匹配结果表明，Fe3O4纳米颗粒具有单相性。利用文献［6］方法计算Fe3O4纳米颗粒的晶体尺寸，结果表明，燃烧法制备的Fe3O4纳米颗粒的平均尺寸小于共沉淀法制备的Fe3O4颗粒平均尺寸。用X′pert high score plus软件计算的Fe3O4纳米颗粒晶胞参数见表1。

图1 Fe3O4纳米颗粒的X－射线衍射图

表1 Fe3O4纳米颗粒的晶胞参数

从表1看出：燃烧过程中，颗粒尺寸减小，晶格参数增大；共沉淀法和燃烧法制备的Fe3O4纳米颗粒的粒径分别为35nm和20nm。

制备的Fe3O4纳米颗粒的紫外－可见吸收光谱如图2所示。可以看出，两种方法所得试样都具有单向吸收特性，表明形成的是单相化合物。燃烧法制备的试样的吸收峰波长降低，说明带隙取决于粒径的大小。

图2 Fe3O4纳米颗粒的光学特性

图3为Fe3O4颗粒的带隙。燃烧法制备的Fe3O4颗粒的带隙比共沉淀法合制备的Fe3O4颗粒带隙宽，二者的带隙分别为2．08和1．88nm。

图3 共沉淀法和燃烧法制备的Fe3O4纳米颗粒带隙曲线

图4所示为Fe3O4纳米颗粒的磁化强度与磁场强度关系曲线。试样的磁性并不强烈，但具有超顺磁性，且饱和磁化强度（Ms）较高。共沉淀法合成的Fe3O4颗粒的饱和磁化强度为63．5emu／g。

图4 Fe3O4纳米颗粒的磁化强度与磁场强度关系曲线

3 结论

用共沉淀法和燃烧法可制备Fe3O4纳米颗粒。燃烧法制备的Fe3O4纳米颗粒存在蓝光偏移。共沉淀法和燃烧法制备的Fe3O4纳米颗粒的带隙分别约为1．88nm和2．08nm，均具有超顺磁特性，并且没有磁带回线；具有极高的比表面积和优异的热稳定性；共沉淀法制备的Fe3O4纳米颗粒的饱和磁化强度高达63．5emu／g。

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