水热法制备钴掺杂的磁性纳米颗粒的制备及表征

汪永丽，代学玉，于娇娇

(兰州石化职业技术学院 石油化学工程学院，甘肃 兰州 730060)

四氧化三铁纳米颗粒除了具有独特的性能，还能通过掺杂某些离子而表现出特殊的如光、电、导体等性能，使其在更为广阔的领域也有重要的应用。

水热法是指一般用水作为反应介质，在高压釜里进行反应，高压釜中的高温、高压环境，使得一般情况下较难溶或不溶的物质溶解，进一步反应，最后重结晶而得到产物[1]。水热法制备纳米颗粒具有两个特点：一是反应温度相对较高(120～260℃)，有利于磁性能的提高；二是整个反应在封闭环境中进行，反应压力相对较高(0.3～0.4MPa)，可避免有些组分的挥发。正因如此，水热法成为制备纳米材料的一种常见方法[2]。本文通过水热法制备钴掺杂的四氧化三铁纳米颗粒，制备得到粒径分散均匀，磁响应好的纳米颗粒。

1 实验部分

1.1 实验试剂与仪器

实验试剂与仪器见表1、表2。

表1 实验所用试剂

表2 实验所用仪器

1.2 实验步骤

100mL二口烧瓶中加入40mL去离子水(提前除氧)，2.16g FeCl3·6H2O、1.112g FeSO4·7H2O和一定量的钴掺杂离子，电动搅拌10min，水浴加热到60℃，滴加15 mL浓度为2mol/L氢氧化钠溶液到上述溶液中，此时，反应溶液由红棕色变为黑色[3]，继续搅拌40 min，然后升高温度到90℃并停止搅拌，静止陈化40 min。取40mL上述溶液置于50mL水热釜中，将水热釜置于160℃的电子恒温干燥箱中，水热反应5 h，冷却到室温，通过外磁场作用磁性分离，用乙醇洗涤至中性，并超声分散到无水乙醇中。

2 结果与讨论

2.1 方法的选择

目前，纳米颗粒的制备有共沉淀法、水热法、多元醇法等[4]，水热法制备的产物具有较好的结晶形态，并可通过实验条件调控纳米颗粒的形貌，因此选择了水热法制备了Co2+掺杂量为总Fe量的5%的四氧化三铁纳米颗粒。

2.1 产物的TEM表征及分析

水热法制备的样品粒径均匀，颗粒较大，约为15～20nm，无明显团聚现象(见图1)，这是因为水热条件下的高温高压环境使得纳米颗粒进行再次生长，小纳米颗粒溶解，大纳米颗粒继续长大，最后长成粒径均匀，分散性较好的纳米颗粒，磁响应性良好。

图1 水热法制备钴掺杂的四氧化三铁纳米颗粒TEM图片

2.2 产物的原子吸收光谱表征及分析

以钴空心阴极灯作为锐线光源，优级纯Co(NO3)2·6H2O溶液做为标液，绘制Co(NO3)2·6H2O溶液浓度与吸光度之间的线性关系图，如图2所示：

图2 Co(NO3)2·6H2O浓度与吸光度线性关系图

回归方程为：

y = 0.0039x + 0.042，(R2= 0.9966)

( 1)

( 2)

将水热法制备掺杂Co2+的四氧化三铁纳米颗粒洗涤干净后置于60℃真空烘箱干燥后称取0.0027g，然后用1.0 mL 2.00mol/L的HCl超声溶解并用去离子水定容至5mL容量瓶，经450nm的微孔滤膜过滤[5]，测其吸光度值，根据公式( 1)可得Co含量，根据式( 2)可得其掺杂效率。

结果如表3所示：

表3 Co元素含量分析

2.3 结果与讨论

根据透射电子显微镜和原子吸收光谱对产物的形貌和元素含量进行表征，可知，水热法制备的产物粒径均匀，无明显团聚现象，Co2+掺杂的四氧化三铁纳米颗粒其掺杂效率较高，制备的四氧化三铁纳米颗粒对磁场响应性好，实验条件的掺杂量没有明显影响磁性，为纳米颗粒的改性奠定了一定的基础。