[发明专利]一种碳热还原制备四氧化三铁纳米粉末的方法

说明书

技术领域

本发明属于一种制备磁性纳米粉末的方法，特别是涉及一种碳热还原制备四氧化三铁纳米粉末的方法。

背景技术

纳米Fe₃O₄作为一种磁性纳米微粒，不仅可以用来制作磁记录材料提高信噪比，改善图象质量，而且在医学方面也有一些新奇的应用，如磁性靶向药物载体、免疫测定、肿瘤的高热治疗、细胞磁分离、X射线造影剂、肿瘤的磁栓塞治疗、视网膜脱离的修复手术、血流的磁测量等。

目前用来制备四氧化三铁纳米的方法主要有化学共沉淀法、微乳液法、水热合成法、高能球磨法等。其中化学共沉淀法，一般是将Fe³⁺和Fe²⁺的可溶性盐按2：1的比例溶于去离子水中，然后在惰性气体的保护下滴加沉淀剂如NaOH或NH₃·H₂O，使Fe³⁺和Fe²⁺同时沉淀生成Fe₃O₄颗粒，经过洗涤和干燥就可得到四氧化三铁纳米粉末。化学共沉淀法虽然能够大量合成Fe₃O₄纳米粒子，但是颗粒表面由于容易吸附阴离子而带有电荷，导致硬团聚而不易分散，而且清洗过滤困难。孙康等人[ZL200510111014.1]利用胺作为沉淀剂改进了此方法，得到粒径约为10nm的四氧化三铁颗粒，但是得到的纳米四氧化三铁颗粒表面带有一定的正电荷。微乳液法[制备四氧化三铁的研究进展，2004Vol.12No.652～57]是利用表面活性剂、助表面活性剂、油类组成透明的、各向同性的热力学稳定的“微型反应器”，四氧化三铁纳米颗粒就是利用这个“微型反应器”进行制备。微乳液法制备的纳米粒子粒径小，单分散性好，但是其中的表面活性剂、助表面活性剂、油类要用有机溶剂反复清洗而且不易清除。水热法是在高压釜里的高温高压反应环境中，采用水作为反应介质，使得通常难溶或不溶的物质进行溶解反应，并重结晶得到纳米粒子。虽然水热法可以控制纳米颗粒的晶体结构，粉末纯度，但是由于反应是在高压反应釜中进行，所以对设备要求较高，导致成本偏高。机械球磨法[ZL01134340.0]制备纳米材料重现性好、操作简单，但生产周期长，粒径细化难以达到纳米级要求，而且由于强烈的塑性变形，会造成Fe₃O₄颗粒晶粒有较大的晶格畸变。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种对设备要求低，操作简单，易于实现大规模生产的碳热还原制备四氧化三铁纳米粉末的方法。此法可以得到无硬团聚的、具有超顺磁性的、粒径在10～80nm的四氧化三铁颗粒。

本发明所述碳热还原法制备四氧化三铁纳米粉末的工艺步骤如下：

1)纳米α-Fe₂O₃的制备

向1～10mol/L的硝酸铁溶液中加入等体积、等摩尔浓度的柠檬酸溶液，在40～60℃的水浴温度下，利用磁力搅拌充分搅拌混合2～8h，然后用纯氨水调节pH值至3.0～7.0，继续恒温搅拌4～8h后转入100～120℃的干燥箱中蒸发直至生成干凝胶，将此干凝胶在空气中点燃，即可得到α-Fe₂O₃纳米粉末。

2)碳源与纳米α-Fe₂O₃的混合

称取适量的有机碳源和α-Fe₂O₃纳米粉末，加入相同质量的去离子水，混合粉末搅拌均匀并呈现湿泥土状，将此混合物在空气中陈化8～24h，然后在80℃～100℃的干燥箱中烘干。

3)碳热还原反应

碳热还原反应是在充有保护气氛的热处理炉中发生。将盛有有机碳源与α-Fe₂O₃混合物的烧舟放入热处理炉中，通入保护气氛，升温至450～650℃并保温0.5～2h，然后随炉冷却至室温，即可得到四氧化三铁纳米粉末。

所述的有机碳源是碳的有机物，可以选择任一种葡萄糖、果糖等单糖，也可以是蔗糖、乳糖、麦芽糖、纤维素等二糖或多糖。

所述适量的有机碳源和α-Fe₂O₃纳米粉末是有机碳源与α-Fe₂O₃纳米粉末的摩尔比为1：48～1：8。

本发明与现有技术相比有如下优点：

1.本发明在制备过程中无需任何洗涤，操作安全简单，所需设备简易；