新闻详情

纳米Fe3O4粒子的制备及其表面改性研究进展

凤凰时时彩平台黑钱不 www.tgkg.icu 纳米Fe3O4粒子的制备及其表面改性研究进展

摘要Fe3O4纳米粒子应用广泛,它的合成有球磨法、高温分解法、沉淀法、水热法、微乳液法、溶胶-凝胶法、生物模板合成法、微波水热法等。本文主要综述了以上的各种合成方法和它们各自的优缺点,以及对他的改性方法做了简单的归纳,主要有表面化学法、溶胶-凝胶法、沉淀反应法及静电自组装等。

关键字纳米Fe3O4     磁性  合成    改性    

Research Progres s onPreparation andSurface Modification of Fe3O4  Magnetic Nano-particles

Wang weijun

Abstract:Fe3O4nanoparticles widely, it is the synthesis method of ball mill, high temperaturedecomposition, precipitation, hydrothermal synthesis, microemulsion, sol-gel,biological template synthesis, microwave hydrothermal method.This paper mainly introduces the synthesis methods and their respectiveadvantages and disadvantages, and the modification methods for his brief,basically have apparent velocity, sol-gel, reaction method and electrostaticself-assembly.

Key words:Fe3O4nanotechnology  magnetic   synthesis  modified

前言:纳米科技的发展,为各种材料的研究开辟了新的领域。现如今,各种各样的纳米材料已经自相关领域得到了充分的应用,也充分肯定了纳米材料的价值。所以,新型纳米材料的发展已成为现代社会的必需,具有很大的发展前景。纳米Fe3O4有颗粒粒径小、比表面积很高、磁敏等特性,在生物分离[1- 2]、靶向物[3- 5]、肿瘤磁热疗[6- 7]以及免疫检测[8- 9]等领域具有很广泛的应用。所以,Fe3O4磁性纳米粒子的制备及一些特性的研究及总结对我国一些相关领域的发展有指导意义,也对参与的一些研究人员提供方便。本文以下就对纳米Fe3O4粒子的制备以及改性做一简述。

1 纳米Fe3O4粒子的制备

1.1固相合成法

1.1.1球磨法[10]

可分为普通球磨法和高能球磨法两类。普通球磨法是指在球磨机中,将粒度为几十微米的Fe3O4粗颗粒通过钢球之间或钢球与研磨罐内壁之间的撞击,将其破碎成细颗粒。高能球磨法是利用高能球磨机对原料进行机械合金化,把原料合成纳米尖晶石型铁氧体。球磨法产物晶粒尺寸不均匀,易引入杂质。

1.1.2高温分解法

高温分解铁有机物法是将铁前驱体(Fe(CO)5、Fe(CuP)3)高温分解产生铁原子,再由铁原子生成铁纳米粒子,将铁纳米粒子控制氧化得到氧化铁。这种方法制得的纳米粒子结晶度高、粒径可控且分布很窄[11]。窦永华等[12]采用高温有机前驱体分解的方法,Fe(acac)3 为前驱体制备出了单分散性较好的Fe3O4纳米粒子,平均粒径为(6.4±0.9)nm,而且通过这些粒子的自组装还得到了排列规整的单层及多层的有序结构。

1.2 液相合成法

 1.2.1沉淀法

沉淀法包括共沉淀法、氧化沉淀法、还原沉淀法、交流电沉淀法和络合物分解法等[13]。共沉淀法因具有产率高、成本低等特点,制备中应用较多,但该方法制备过程复杂,所制的的产物易团聚、氧化。张鑫等[14]采用共沉淀法,Fe3+Fe2+溶液物质的量比为11、反应温度为30 的条件下制备的Fe3O4粒径在20 nm 以内。Wu Jun-Hua[15]研究反应温度对纳米Fe3O4粒径的影响,20 80 时得到的粒径最小大约为24 nm。共沉淀法最大的难题是如何分散生成纳米Fe3O4粒子并使其不团聚。为此许多学者通过在Fe3O4 粒子生成后加入表面活性剂包覆微粒表面等手段对共沉淀法进行了改进,以达到减少团聚的目的。程海斌等人[16]采用改进共沉淀法以十二烷基苯磺酸钠( SDBS)为表面活性剂制得的纳米Fe3O4复合粒子能在更宽的pH 值范围( 19)内稳定分散。共沉淀法生成的纳米Fe3O4粒子极不稳定,其稳定性与pH值成反比,在强碱性介质中静置时立即发生聚沉,随着pH 值降低,稳定性有所提高,但静置几分钟后都会析出沉淀。

1.2.2水热合成法

该法利用高温高压下某些氢氧化物在水中的溶解度大于对应的氧化物在水中的溶解度的特点,因此当氢氧化物溶入水时同时析出相应氧化物纳米粒子。刘奕等[17 ]FeSO4·7H2O、(NH4 )2 Fe(SO4 ) 2·6H2O NaOH、NH3·H2O 为原料,以KC1O4KNO3为氧化剂,采用水热合成法在110℃反应14h,成功合成了立方相的六方片状Fe3O4纳米晶以及Fe3O4单晶纳米棒,其中Fe3O4单晶纳米棒的直径为60nm,长度为介于01751175um,其饱和磁化强度为39154emu/ g。Chen D [18]N2做作为环境气体,Fe (OMOE) 2MOE 中回流4 h,再在磁搅拌下加入一定量MOE H2O 的混合溶液,得到的悬浮物在水热釜中反应得到了不同粒径的Fe3O4纳米颗粒。周小丽等[19]采用氯化亚铁( FeC12·4H2O),氯化铁(FeC13·6H2O) ,Na2SO3,H2O2,NaOH,水合肼等为原料,用水热合成法成功制备了磁性Fe3O4 纳米颗粒。并研究了不同的表面活性剂、氧化剂对合成过程的影响。该法的优点是可直接生成氧化物,避免了一般液相合成法需要经过煅烧转化为氧化物这一步骤,大大地降低硬团聚。

1.2.3微乳液法[20]

由表面活性剂、油相、水相及助溶剂等在适当比例下形成油包水(W/O)或水包油(O/W)型微乳液,反应仅限于微乳液滴这一微型反应器内部,粒子的粒径受到水核的控制,且可有效避免粒子之间的进一步团聚。因而得到粒径分布窄、形态规则、分散性能好的纳米粉体。同时,可以通过控制微乳液液滴中水的体积及各种反应物的浓度来控制成核、生长,以获得各种粒径的单分散纳米粒子。用微乳液法制备的纳米磁性Fe3O4粒径均匀、粒径较小、分散性好且多为球形。但该法耗用大量乳化剂,产率低,因此价格昂贵,不适于大量生产。

1.2.4水解法[21]

水解法可以分为两种:一种是Massart 法,另一种为滴定水解法。而我们一般说的水解法多指是滴定水解法。水解法对设备的要求低,反应可以在较为温和的条件下进行,所用的原材料为廉价的无机盐,工艺流程简单,反应产物纯度高,粒子分散性比较好。在一定程度上解决了团聚问题。但该方法在制备过程中要求考虑影响粉末粒径和磁学性能的因素较多( 如反应物浓度、反应温度、沉淀剂浓度与加入速度、搅拌情况和pH值等),使得对实验的工艺参数必须严格控制。邱星屏[22]采用滴定水解及Massart 合成法分别制备了直径在8nm左右的Fe3O4纳米粒子,透射电镜观察发现,由滴定水解法制备的Fe3O4纳米粒子主要为球形,粒子大小比较均匀,而由Massart 法制备得到的Fe3O4纳米粒子则呈现从球形到立方形的多种形态,并且粒径分布宽。Zhongbing Huang [23]采用水解法制备Fe3O4纳米粒子粒径大约为10 nm,粒径分布窄。

1.2.5溶胶-凝胶法

利用金属醇盐水解和聚合反应制备金属氧化物或金属氢氧化物的均匀溶胶,再浓缩成透明凝胶,经干燥、热处理得到氧化物超微粉。娄敏毅等[24]将超声分散后的纳米级Fe3O4磁性粒子加入浓聚SiO2溶胶中, 与丙酮、去离子水、氨水混合形成油包水型乳液, 最后经过溶剂置换、洗涤和热处理, 制备了粒径主要分布在20 nm 左右、单分散的球形磁性微球, 并且表现出良好的超顺磁性和磁响应性。该研究的特色在于采用了酸碱两步催化法,利用两种催化法的各自特点, 优势互补, 同时将溶胶- 凝胶法与乳液成球技术相结合, 解决了SiO2磁性微球球形度不好的问题。该方法可在低温下制备纯度高、粒径均匀、化学活性大的单组分或多组分分子级混合物,以及可制备传统方法不能或难以制得的产物等优点,而使其得到了广泛的应用。但前驱体的金属醇盐毒性大、对痕量的水分敏感且价格昂贵。

1.2.6生物模板合成法

由于DNA 结合蛋白、小热激蛋白、李斯特细菌、铁蛋白等内部是空穴结构,可利用它们作为模板合成磁性纳米Fe3O4粒子。例如,铁蛋白空穴内径为8nm ,外径为12nm,DNA 结合蛋白空穴内径为6nm,外径为9nm。烟草花叶病毒空穴内径为8nm,外径为12nm。利用这些空穴结构,研究者们成功合成了纳米Fe3O4粒子。

1.2.7  微波水热法

微波水热法于1992 年被美国宾州大学的ROYR[25]提出。微波水热法制备微细粉体是用微波场作为热源,反应介质在特制的、能通过微波场的耐压反应釜中进行反应,在微波辐射作用下,极性分子接受微波辐射能量后,偶极子以数亿次每秒的高速旋转产生热效应。由于微波水热法具有加热速度快、反应灵敏、受热体系均匀等特点,使其能快速制备粒径分布窄、形态均一的纳米粒子。因此微波水热法在制备超细粉体方面具有巨大的潜在研究价值。研究者海岩冰等[26]用微波炉8 s 就可以制备出平均粒度为30 nm Fe3O4纳米粒子,产率到达90%,同时具有良好的分散性。

1.2.8  氧化法[27]

氧化法是制备超细Fe3O4的最常用方法,是将一定浓度的铁盐及碱液,经混合沉淀生成Fe(OH)2,恒温下通空气搅拌,将Fe(OH)2Fe2+部分氧化成Fe3+而直接获得Fe3O4微粉,但合成的Fe3O4粒度均匀性还有待于进一步解决。

2 纳米Fe3O4粒子的表面改性

由于制备的Fe3O4粒子容易团聚、容易被氧化,或者在某些方面不够完善,在使用时需对其表面进行改性,有目的地改变粒子表面的物理化学性质,如表面化学结构、表面疏水性、化学吸附和反应特性等。常用的表面改性方法如下:

2.1 表面化学改性法

利用表面化学方法,如有机物分子中的官能团在Fe3O4粒子表面的吸附或化学反应对粒子表面进行局部包覆使其表面有机化,从而达到表面改性,这是目前Fe3O4粒子表面改性的主要方法。表面化学改性所用的表面改性剂多为阴离子表面活性剂、非离子表面活性剂和带有官能团的有机聚合物。油酸、月桂酸、十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠等阴离子表面活性剂,是其带负电的极性端借助库仑力与 Fe3O4所带正电荷相互吸引而在粒子表面吸附。聚乙二醇等非离子型表面活性剂在水中不电离,对Fe3O4粒子表面的吸附主要是通过范德华力和氢键的形式进行。而有机聚合物多是通过分子中的官能团与Fe3O4粒子表面形成化学键结合,如硅烷是通过其水解后的羟基与粒子表面富含的羟基脱水结合,聚(丙烯酸-丙烯酸羟乙酯)则是通过羧基与粒子表面形成配位键结合。

2.2  沉淀反应改性法

沉淀反应改性是指通过无机化合物在Fe3O4粒子表面进行沉淀反应形成包覆层,从而改善其抗氧化性、分散性等。张冠东等[28]对共沉淀得到的Fe3O4纳米粒子在硅酸钠溶液中进行酸化处理,获得了表面包覆SiO2层的核壳结构的磁性粒子。由于SiO2的位阻作用,限制了Fe3O4微晶的团聚和继续生长,使Fe3O4核分散在产物中保持较小的晶粒尺寸,包覆产物表现出超顺磁性,同时提高了磁性组分的耐候性。

2.3  溶胶-凝胶法改性

溶胶-凝胶过程指无机前驱体通过各种反应形成三维网状结构。SiO2是溶胶-凝胶法改性Fe3O4中应用最为广泛的一种调节表面和界面性质的表面修饰剂。该方法通常是采用正硅酸乙酯为原料,通过优化水解条件在Fe3O4粒子表面包覆一层SiO2,提高Fe3O4粒子的稳定性。娄敏毅等[24]将超声分散后的纳米级Fe3O4磁性粒子加入浓聚SiO2溶胶中,与丙酮、去离子水、氨水混合形成油包水型乳液,最后经过溶剂置换、洗涤和热处理,制备了粒径主要分布在20!m左右、单分散的球形磁性微球,并且表现出良好的超顺磁性和磁响应性。该研究的特色在于采用了酸碱两步催化法,利用两种催化法的各自特点,优势互补,同时将溶胶-凝胶法与乳液成球技术相结合,解决了SiO2磁性微球球形度不好的问题。

2.4  静电自组装改性

静电自组装,又称层层自组装或逐层自组装,是近年来出现的一种新型的粒子自组装的方法,它为合成新型、稳定和功能化的核壳式微球提供了新的选择,并且技术简便易行,无须特殊装置,通常以水为溶剂。因此,备受国内外研究学者的关注。运用这种技术,将复合式的壳层通过层层吸附组装在固相粒子上,可以制备出新型的复合式的核-壳材料,其壳层可以是单一组分的无机物或聚合物,也可以是组分不同的混杂式的无机物壳层或无机物/聚合物混杂层。它使各种结构的材料可以组装在极性底物上,或是固相的粒子上,从而使更多组分可以组成复合材料,为研究新型材料提供了新的合成路线。

3 展望

纳米Fe3O4作为一种磁性粒子,在各种材料领域中起着不可替代的作用。故而纳米Fe3O4的发展成了当今社会的必然。纵观上述的几种制备和改性的方法,他们各有优缺点。在制备中,现阶段用的最广泛的当属共沉淀法,可共沉淀法制得的粒子很不稳定、易团聚。所以,发展更好的制备方法成了纳米Fe3O4研究的重点。在改性方面,根据不同的使用,有不同的改性方法,以达到较专业、高性能的效果。

参考文献

[1] 李文兵, 周蓬蓬, 余龙江, 朱敏, 鲁明波. 生物相容Fe3O4磁性纳米颗粒的合成及应[J]. 现代化工 , 2006,(S1)

[2]王永亮; 李保强; 周玉. 超顺磁性Fe3O4纳米颗粒的合成及应用[J].功能材料, 2009 07

[3]Sonti S V, Bose A.Cellseparation Using Protein- A- Coated Magnetic Nanoclusters [J].J. ColloidInterface Sci.,1995,170:575- 585.

[4]李桂银; 杨栋梁; 黄可龙; 蒋玉仁. Fe3O4羧基改性壳聚糖复合纳米粒子的制备、表征及生物学应用[J].功能材料, 2009 07

[5]周永国,杨越冬,郭学民,.磁性壳聚糖微球的制备、表征及其靶向给药研究[J].应用化学,2002,19(12):1178- 1182.

[6] 马明, 朱毅, 张宇, . 四氧化三铁纳米粒子与癌细胞相互作用的初步研究[J]. 东南大学学报: 自然科学版, 2003, 33(2): 205- 207.

[7]Ma M. Preparation andcharacterization of magnetitenanoparticlescoated by amino silane [J] .ColloidsSurf.,A,2003,212:219- 226.

[8] 刘美红, 陈晓明. 磁性微球在生物医学领域的最新进展[J]. 精细与专用化学品, 2006, 14(2): 6- 9.

[9]Stoeva S I,Huo F W, Lee J S,etal.Three- layer composite magneticnanoparticle probes forDNA[J].J.Am.Chem.Soc.,2005,127:15362- 15363.

[10] 汪礼敏.高能机械研磨制备铁氧体的研究[J].粉末冶金工业,1999,17(2):125129.

[11] 陈辉. 高温分解法合成Fe3O4磁性纳米微粒[J]. 河南化工, 2004(2):11- 12.

[12] 窦永华, 张玲, 古宏晨. 单分散Fe3O4纳米粒子的合成、表征及其自组装[J]. 功能材料, 2007, 38(1): 119- 122.

[13]何运兵, 邱祖民, 佟珂. 制备纳米Fe3O4的研究进展[J]. 化工科技,2004, 12(6): 52- 57.

[14] 张鑫, 李鑫钢, 姜斌. 四氧化三铁纳米粒子合成及表征[J]. 化学工业与工程, 2006, 23 (1): 45- 48.

[15] WU Jun-Hua, KO Seung Pil, LIUHong-Ling. Sub 5 nm magnetitenanoparticles: synthesis, microstructure, andmagnetic properties[J].Materials Letters, 2006, 11(2): 1- 6.

[16] 程海斌, 刘桂珍, 李立春. 纳米Fe3O4ζ电位和分散稳定性[J]. 武汉理工大学学报, 2003, 25(5): 4- 6.

[17]  刘奕,高勇谦,郭范. [J ] . 人工晶体学报,2005 ,5 (34) :7282785.

[18] Chen D , Xu R. [J ] . Materials Research B ul letin ,1998 , 33(7) :101521021.

[19]  周小丽,毕红. [J ] . 安徽大学学报(自然科学版) ,2006 ,2 (30) :75279.

[20] Deng Y,Wang L,Yang W,etal.Preparation of magnetic polymeric particles via inverse microemulsionpolymerization process[J].J Magn Magn Mater,2003,257(1):6978.

[21] 郑举功,陈泉水,杨婷.磁性四氧化三铁纳米粒子的合成及表征[J].无机盐工业,2008(11):1517.

[22] 邱星屏. 四氧化三铁磁性纳米粒子的合成及表征[J]. 厦门大学学报:自然科学版, 1999, 38(5): 711- 715.

[23] MAO Baodong, KANG Zhenhui, WANG Enbo.Synthesis of magnetiteoctahedrons from iron powders through a mildhydrothermalmethod[J]. Materials Research Bulletin, 2006, 41: 2 226- 2 231.

[24] 娄敏毅, 王德平, 黄文旵, . 单分散核壳结构SiO2磁性微球的制备及性能[J]. 硅酸盐学报, 2006, 34(3): 277- 283.

[25] YEUR-LUEN Tu, MARIA L Clalzada,NICOLAS J Phillips. Synthesisand electrical characterization of thin films ofPT and PZT madefrom a diol-based sol - gel route[J]. J Am CeramSoc, 1996, 79(2):441- 448.

[26] 海岩冰, 袁红雁, 肖丹. 微波法制备纳米Fe3O4 [J]. 化学研究与应用,2006, 6(18): 744- 746.

[27] 王全胜,刘颖,王建华,张先武.沉淀氧化法制备Fe3O4的影响因素研究[J].北京理工大学学报,1994(2):200205.

[28] 张冠东, 官月平, 单国彬, . 纳米Fe3O4粒子的表面包覆及其在磁性氧化铝载体制备中的应用[J]. 过程工程学报, 2002, 2(4):319- 324.