浅谈四氧化三铁纳米材料的制备与应用

王彦

摘   要：四氧化三铁纳米材料，在很多行业中有着良好的应用前景。立足于四氧化三铁的性质与结构，分析了制备方法，并讨论了四氧化三铁纳米材料的制备在多个方面的应用，以供参考。

关键词：四氧化三铁;纳米材料;制备;应用

四氧化三铁纳米粒子化学性质较为稳定，粒径能够降到几纳米，有着极高的催化活性以及很好的磁响应与耐候性等优点，可以在多个方面进行合理运用。比如，汽车面漆与皮革方面、塑料与涂料方面、催化剂与组织工程方面等，与此同时，有望探索新的用途。本研究针对四氧化三铁纳米材料的制备及其在各方面的运用进行了分析和论述。

1    四氧化三铁性质与结构

铁氧化物可以划分成3种类型，即四氧化三铁、一氧化铁与三氧化二铁，其化学名称是Fe3O4、FeO、Fe2O3，而M（Fe3O4）=231.540。四氧化三铁为黑色晶状固体，是电的导体，具备磁性，同时，不溶于水，还有还原性与氧化性。四氧化三铁高温有氧加热容易氧化成三氧化二铁;还易于被还原性强的物质还原成铁单质。经过X-射线衍射能够发现：四氧化三铁化合物是以Fe2+与Fe3+混合氧化态构成，属于反尖晶石结构。

2    四氧化三铁纳米材料的制备方式分析

通常而言，影响纳米四氧化三铁性能的核心因素有结晶度与磁饱和量、粒径与矫顽力等。不一样的性能，其适用范围不同，如此看来，四氧化三铁纳米粒子制备方式存在着一定的差异性。四氧化三铁纳米粒子制备方式的关键为物理与化学方式。物理方式中具有代表性的就是机械球磨方式，该制备方式简单，可是所花时间长，颗粒大小不同，产品纯度不高，所以，该方式制备出来的纳米材料不能满足科学领域的需求。当下制备四氧化三铁纳米粒子的常用法为化学方式，合成的纳米粒子很稳定，形状可以控制，同时，可以单分散，该制备方式程序简单，费用低。当下制备纳米四氧化三铁的方式较多，比如热液、沉淀与热水解方式等。

2.1  水热方式

这种方法也被称为热液方法，从宏观角度而言涵盖了水溶剂热方式以及溶剂热法。反应是于高压和高温下的水溶液中展开的，因此，一定形式的前驱物质会产生和常温下不一样的性质，比如，溶解度提高、化合物晶体结构转型、离子活度加强等。近期，水热方式在制备多种无机纳米材料中运用甚广。使用四氧化铁和氧化氢提供铁源，去离子水当成溶剂，氢氧化钠当作沉淀剂，α-丙二醇是助剂，采用水热方式一步构成八面体状的磁性四氧化三铁纳米微粒。发现其粒子平均边长是500 mm，晶状可经过不一样的方向使生长速率得以把控，同时，简述了四氧化三铁八面体的生长模式。得到的四氧化三铁八面体于室温中的比饱和与磁化强度以及矫顽力分别是87 emu/g左右与95 Oe，伴随温度的提高，He值降低，是因为有效磁各向异性伴随试验温度提升而下降。而杨华等通过水热方式得到的粉末是单一相的四氧化三铁纳米颗粒，99%的粒子尺寸在100 nm以下，得到的水基磁流体为稳定的胶体体系，于320 mT中并没有显著的分层现象，在可见光照射以及磁场相互作用中，肉眼能够看到明亮的光环，根据丁达尔现象可以了解到，出现光环表示溶胶粒子尺寸比可见光波长，在1～100 nm。

综上所述，制备方式都是将水当成溶剂，而有机溶液被当成溶剂也是合成四氧化三铁纳米粒子的常用方法。将FeCl3·6H2O当作单一铁源，乙二醇当作溶剂，醋酸钠当成沉淀剂，在表面活性剂聚乙烯吡咯烷酮产生的情况下合成初级纳米晶核构成的多孔磁性四氧化三铁纳米球[1]。

采用水热方式制备出来的四氧化三铁纳米微粒有着很高的纯度，同时，分散性极好，可是操作步骤比较复杂，对于设备方面的要求较高，成本支出大，因而还需要将其进行改进。

2.2  热水解方式

热分解方式是获取四氧化三铁纳米微粒常用的方法之一。常见的金属有机化合物为羰基金属盐等，稳定剂涵盖了十六胺与脂肪酸等。一般将铁的有机配合物溶于沸点较高的有机溶劑中，严格把控反应条件，从而制备出相应的产物。孙守恒于二苯醚内通过三乙酰丙酮铁作为前驱体，油胺与油酸作为活性剂，在试验过程中添加1， 2-十六烷二醇当成混合溶剂，于300 ℃下反应0.5 h，进而制备出平均粒径是4 nm的四氧化三铁纳米粒子，与此同时，粒径大小差不多。Wang等把2 nmol的三乙酰丙酮铁溶于20 mm的二苯醚内，接着把10 nmol的1， 6-己二醇加入这一溶液当成混合溶剂，于220 ℃下反应10 h，制备出直径为300 nm的亚微中空球状四氧化三铁。Gao等在油胺与油酸出现的情况下，把三乙酰丙酮铁当成前驱体于260 ℃中合成单分散四氧化三铁纳米管。经过调节反应参数，制备出来的四氧化三铁纳米微粒形状能够在球体以及立方体间相互可逆交换。Woo等把五羧基全铁当作前驱体，油酸当作表面活性剂，辛醚当成溶剂，经过调整五羧基全铁与油酸比例，获取到直径是5、11与19 nm的四氧化三铁纳米颗粒。而Park等使用相同的方式，配制五羧基全铁与油酸比例为1∶1和1∶2、1∶3，分别获取到直径是4、8、12 nm的四氧化三铁纳米颗粒[2]。

通过上述研究可以发现，高温热分解方式所制备的纳米粒子有着一定的分散性，且有粒径分布不广 、尺寸小等优势，可是制备出来的纳米粒子一般仅仅溶解在有机溶剂中，环境不友好，且有机金属前驱体成本高，会提高生产成本，所以，不适于进行大量生产。

2.3  溶胶凝胶方式

这种方式是将凝胶作为基质，经过重结晶，生产高度分散的纳米颗粒。一般是把1∶2 nmol的Fe2+与Fe3+混合，接着添加适当的有机酸调整溶液的pH，使其慢慢变成凝胶。溶胶凝胶方式的过程为：（1）水解;（2）单体出现缩聚反应构成颗粒;（3）颗粒变大;（4）颗粒积聚。然后于液相中构成网状，溶胶变稠构成凝胶。Tang等通过溶胶凝胶方式制备四氧化三铁纳米带，分别将FeCl3·4H2O当成原料，一水合成柠檬酸，抗坏血酸当作抗氧化剂与无水乙醇当成溶剂混合溶液，在60 ℃中拌和6 h，接着添加0.1 mL的二甲基甲酰胺（Dimethylformamide，DMF），使用浸渍提拉工艺把这一溶液涂抹于硅玻璃基底中。放在100 ℃下烘干，在400 ℃下加热0.5 h获取到四氧化三铁纳米粒子[3]。周洁等采用四氧化铁提取铁源，把KOH与KNO3溶液和其搅拌以后获取到墨绿色的溶胶，于90 ℃水浴情况下反应4 h获取到四氧化三铁凝胶，通过磁性分离以后制备出四氧化三铁纳米粒子。通过研究可以了解到，通过把控反应体系里面的OH﹣与Fe2+浓度，能够制作出尺寸不一样的颗粒。

溶胶凝胶方式的制备过程拥有反应温度低、产品尺寸不大、凝胶速度缓慢以及合成时间长的特征。可是这样的制备方式可以充分区别晶体成核与生长的过程，进而防止晶体于生长中产生大量聚沉现象，获取的产物有着极高的纯度，粒径分布范围较小，均匀性甚佳。这一方式的不足之处就是生产费用高，同时，在烘干过程中易发生开裂的现象。

3    应用探索

3.1  能源储存

能源匮乏是亟待处理的问题，所以，能源储备是很重要的。超级电容器是一种关键的能源储备装置，吸引了人们的注意力，超级电容器有着很好的脉冲放电性能与容量大的储能性能，再加上循环时间长、对环境零污染以及充电速度快等优点，是介于以往静电电容器与化学电源间的全新储能元件。电极材质是组成超级电容器的核心部分。过渡金属氧化物纳米材料因为有着比较特殊的结构、机械与电子性能，于电容器内能够体现出各种氧化态，演变成现下热门的超级电容器电极材质。四氧化三铁是金属氧化物，具备各种氧化价态，环境友好且资源比较丰富，是潜在性超级电容器电极材质。陈等人使用水热方式制备出了反尖晶石结构，形貌为球状，于电解液1 mol/L Na2SO3溶液里，展开循环伏安与交流阻抗等检测，对该性能加以研究。实验表明，四氧化三铁电极于工作电位范畴以内有着非常好的电容特性。

3.2  生物医药

伴随医学的持续发展与进步，人类对医药质量与科技含量要求提高。因为四氧化三铁性质较为稳定，生物相容性甚佳，与此同时不会危害到人体，所以，运用在生物医药的各大领域。在医药治疗阶段，会促使医药对健康的细胞带来不良影响，这是由于医药于静脉注射以后是非定向、没有规则分布的，并且不一样的药品相互间有着彼此作用的效果，会导致药物效果丧失。所以，需要把药物固定于修饰以后的纳米颗粒表面，接着把磁性纳米颗粒结合在载体溶液中，经过静脉注射于人体中。于外加磁场作用下，药物可以定向运输至某个特定位置，进而实现治疗。采取该种方式，能够避免药物损害正常组织，同时，于病变位置构成浓度高的药物环境，促使治疗效果获得提升。Sun经过构成单分散性良好的超顺磁多孔四氧化三铁空心颗粒，同时，成功将其应用于运输抗癌药物。在四氧化三铁空心颗粒中空心内装置药物，接着将其运输至靶向癌细胞，于细胞内酸性溶媒体下，慢慢溶解，孔径长大，药物释放于细胞内，如此能够有效消除癌细胞。并且，因为空心球壳层的保护作用，药物于运输中未曾由于和血浆蛋白作用而出现钝化。再者，该种靶向治疗方式可以有效减轻医药用量。

3.3  化学催化

因为纳米催化材料有高比表面积与一定的催化活性，可以运用于多相催化反应体系内，可是因为这部分超细粉体很难回收与分离，造成资源浪费，且局限了纳米催化材料的使用范围。因为四氧化三铁纳米材料与其复合物尺寸较小，大于表面积，同时，制备中产生了诸多不平整的孔状结构，扩大了化学反应接触面积，如此提高了材料反应效率与催化活性。假设把有催化活性的组分附着于四氧化三铁纳米颗粒中，能够获得核壳结构的催化纳米材料。如此不仅可以保留催化材料原本的高度催化活性，还可以促使催化剂易于从反应体系内回收，进而减少反应成本。近期，伴随工业科学技术的持续发展，环境污染问题加剧，引起了人类的关注。怎么解决工业废水发展成环保部门以及专家们探索的核心课题，对于如何有效处理污水里面的污染物，相关人士提出了诸多新构思，部分研究表示，可将纯粹的二氧化钛当成光催化剂放在污水内催化光降解，但是如此无法有效对催化剂加以回收，导致资源浪费，同时，刚添加到体系内的催化剂会一并沉淀下去，进而带来新的污染。使用二氧化钛包覆四氧化三铁纳米颗粒，制备出复合磁性催化剂材料，不但有其原来的催化活性，还可以作用于外磁场，便于回收与再次使用添加的催化剂。

4    结语

四氧化三铁纳米粒子由于其良好的物理化学性质、来源渠道广、价格较低等优点，会吸引越来越多的关注。伴随信息科技的持续发展，四氧化三铁纳米材料的制备方式愈发健全，多种方式持续交叉与渗透，进而获取到新的制备方式，同时，运用范围甚广。可是，四氧化三铁纳米材料制备中也有各种各样的问题，因此，未来研究的核心应当为催化剂活性组分和磁性载体间的作用、载体与催化剂活性影响等问题。

[参考文献]

[1]谈思维，施燕鹏，邵   吉.四氧化三铁磁性纳米材料固相萃取-火焰原子吸收光谱法测定水中铬[J].中国卫生检验杂志，2019，29（20）：2 444-2 446，2 451.

[2]郭文义，郭同诚，王   宇.响应面法优化木材/铜-纳米四氧化三铁磁性复合材料的制备[J].电镀与涂饰，2019，38（13）：658-662.

[3]任莉君，张新博，陸   航.石墨烯/聚苯胺/四氧化三锰纳米复合材料的制备[J].化工新型材料，2019，47（6）：72-75.