不同表面活性剂对α-Fe2O3形貌和磁性的影响研究

谢小雪 方迎春 刘龙刚 杜庆波 尹辉

【摘 要】 本文采用水热法，分别以聚乙烯吡咯烷酮（PVP）、十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）和脲（Urea）为表面活性剂，合成了球状、立方体状和棒状的α-Fe2O3纳米材料，利用XRD、FESEM和VSM对合成的α-Fe2O3纳米材料的结构、形貌和磁性进行了表征。研究了这些表面活性剂对颗粒的结构、形貌和磁学性能的影响。结论说明：不同的表面活性剂对α-Fe2O3样品的结构和形貌有影响，样品的形状各向异性影响赤铁矿纳米材料矫顽力的增强，实现了通过改变表面活性剂从而调控样品磁性能的目标。

【关键词】 α-Fe2O3;表面活性剂;形貌;磁性能

【中图分类号】 TB383 【文献标识码】 A 【文章编号】 2096-4102（2021）02-0089-03

1引言

纳米技术因其在纳米尺度（10-9 m）上的新应用而引起了科学界的广泛关注。氧化铁由于其优异的性能和在各个领域的应用前景而受到广泛的研究，如高效吸附剂去除污染物、生物应用和生物传感器等。在铁氧化物中，赤铁矿（α-Fe2O3）纳米粒子（HNPs）因其无毒、成本低廉，且为铁的氧化物中热力学最稳定的相，被广泛应用于矿山酸性排水处理、光催化、锂离子电池、生物能源、太阳能电池及建筑领域等。此外，α-Fe2O3对痕量金属和类金属具有很高的吸附能力。因此，它可用于某些环境污染物的分离，如：As和Cr，这些污染物可通过吸附固定到赤铁矿表面。Djordje Trpkov等報道了无甘氨酸和甘氨酸辅助水热合成由自组装的赤铁矿纳米颗粒组成的微型超结构。样品的X射线粉末衍射测量证实了赤铁矿纳米粒子具有良好的结晶性，颗粒形貌的计算分析表明，甘氨酸表面活性剂，赤铁矿的层状结构呈球形，粒径较小;在甘氨酸存在下合成的样品矫顽力增加了3倍，这些结果表明，赤铁矿结构具有良好的磁性。Marin Tadic等采用水热法合成了多种形貌的α-Fe2O3纳米材料，采用XRD、FTIR、TEM、SEM和Raman光谱等多种方法对样品进行了表征。研究了表面活性剂对粒子结构和形貌的影响，合成样品的磁性能与其结构和形貌关系密切。

合成的α-Fe2O3样品具有令人感兴趣的颗粒形貌、结构和磁性。我们发现，表面活性剂是影响产物形貌和尺寸的关键因素。磁性测量表明，分别以PVP、CTAB和Urea为表面活性剂制备的α-Fe2O3样品具有弱铁磁性能，其中以PVP作为表面活性剂制备的α-Fe2O3样品为微纳米棒，由于形状各向异性，矫顽力达3826 Oe。该合成路线简单、降低了反应温度，从而降低成本，可满足大规模工业生产的需要。

2实验部分

通过水热法合成赤铁矿样品。称取0.6g聚乙烯吡咯烷酮（PVP）、十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）、脲（Urea）各加蒸馏水30ml，在磁力搅拌下溶解后转移至50ml聚四氟乙烯内衬高压釜中，密封，在120℃反应24h。反应完成后，自然冷却至室温。将得到的浊液转移到10ml塑料管中，离心，分别用无水乙醇和蒸馏水冲洗四次。在60℃干燥24小时后，备用。制备过程如图1（a）- （c）所示。另取2mmol的氯化铁（FeCl3），不加任何表面活性剂，在同样条件下反应，制备的样品作为对照品，制备过程如图1（d）所示。

3结果与讨论

3.1 α-Fe2O3的物相与形貌分析

用X射线粉末衍射（XRD）测定了样品的结构和相组成，如图2所示。

图2表明存在单个α-Fe2O3相，未观察到与其他氧化铁相对应的衍射峰，并且观察到的所有样品的XRD图谱都与菱面体晶体结构相匹配（JCPDS：33-0664）。

峰型尖锐表明所制备的α-Fe2O3样品具有高结晶性。

利用扫描电镜对样品的形貌和尺寸进行了较详细的研究。图3显示了采用水热法，分别以聚乙烯吡咯烷酮（PVP）、十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）、脲（Urea）为表面活性剂，制备的α-Fe2O3样品的FESEM图像。图3（a）显示以PVP为表面活性剂，制备的PVP包覆的α-Fe2O3样品的形态呈现球状，尺寸分布均匀，直径约600-700 nm。图3（b）显示CTAB包覆的α-Fe2O3样品形态呈现准立方体状，立方体边长约700-800 nm，图3（c）为Urea包覆的α-Fe2O3样品形态呈棒状，长度约400-600 nm。图3（d）为不添加任何表面活性剂，在相同的实验条件下制备的α-Fe2O3样品形貌，样品呈现无规则的形貌。因此，通过改变不同的表面活性剂，在其他实验条件不变的情况下，可以控制α-Fe2O3样品的大小和形状。

3.2 α-Fe2O3的磁性能

本文中，样品的磁性测量是在室温（300k）下使用磁学测量系统（SQUID）进行的（如图4所示）。

PVP包覆的α-Fe2O3纳米材料的M（H）测量结果如图4（a）所示。记录的磁参数（Hc = 1158 Oe， Mr = 0.12 emu/g， Ms=0.59 emu/g）表明为软磁特性材料。CTAB包覆的α-Fe2O3纳米材料样品的磁性能如图4（b）所示，样品的铁磁性较弱，矫顽力Hc = 1063 Oe， Mr = 0.11 emu/g， Ms = 0.53 emu/g为软磁性材料。Urea包覆的α-Fe2O3纳米材料样品的磁性能如图4（c）所示，矫顽力Hc = 3826 Oe， Mr = 0.14 emu/g， Ms = 0.60 emu/g为软磁性材料。相对于PVP和CTAB包覆的α-Fe2O3纳米材料样品，Urea包覆的α-Fe2O3纳米材料样品中，由于形状各向异性，引入了额外的各向异性效应（形状各向异性），从而增加了矫顽力。实验结果说明：形状各向异性在样品的磁性能发展中起着至关重要的作用。

4结论

本文采用水热法，分别以聚乙烯吡咯烷酮（PVP）、十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）、脲（Urea）、为表面活性剂，制备了α-Fe2O3微纳米球、微纳米立方体和微纳米棒，对其物相、形貌和磁性能进行了研究，并和未添加任何表面活性剂制备的α-Fe2O3微纳米材料相比较，结果发现，表面活性剂对产物形貌和磁性能有较大的影响，实现了添加不同的表面活性剂，得到不同形貌的α-Fe2O3微纳米材料，从而实现形状各向异性对样品磁性能的调控，其中脲包覆的α-Fe2O3微纳米棒矫顽力达到近4000Oe。这将对软磁性材料的制备和磁性能的调控提供一个切实可行的方法。

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