课程名称：纳米科学与技术
课程编号：10SAU9009
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纳米三氧化二铁的研究进展
摘要：三氧化二铁纳米材料因其独特的物理化学性质，在光催化、锂离子电池、超级电容器等方面有着广泛的应用。随着科学技术的不断发展和对合成材料的迫切需求，纳米三氧化二铁的制备方法也不断推陈出新，本文全面总结了制备三氧化二铁纳米粉末的一些常用方法及其优缺点，介绍了三氧化二铁纳米粉末的应用方向。
关键词：三氧化二铁；纳米粉末；制备；性能；应用
Study progress of iron(III) oxide nanostructure
Abstract：Ferric oxide nanomaterials becau of its unique physical and chemical properties, in the light catalysis, lithium ion battery and super capacitor has been widely ud.With the continuous development of science and technology and the urgent demand for composite materials, the preparation methods of nano ferric oxide is constantly. This paper comprehensively summarizes the preparation of ferric oxide nano powder of some commonly ud methods and their advantages and disadvantages, this paper introduces the application direction of ferric oxide nano powder.
Keyword：iron(III) oxide；synthesis；property；application
1.引言与背景
纳米技术、信息技术及生物技术将成为21世纪经济发展的三大支柱。纳米材料是纳米技术的基础,现在已经广泛地应用于光学、医学、信息通讯、计算机技术、环境与能源、军事、航天和航空领域等,多学科多领域在纳米尺度上的相互交叉展现了巨大的生命力。它代表着今后人类科学和技术发展的趋势,将成为人类在21世纪的主导科学。纳米材料的尺寸介于微观的原子和分子与宏观块体材料之间，它的比表面积大，原子排列、自旋磁结构、电子云结构等与块体材料比有变化，导致其物理化学性质也发生了变化。人们对纳米材料的研究，不仅是因为它们的尺度小，更是因为在小尺度下，会出现许多不一样的性质，比如表面效应，库仑电阻效应，能级分裂等。[1]
1.1铁的氧化物
铁的氧化物作为金属氧化物的一种，是非常重要的无机功能材料，是仅次于钛白粉的第二大无机颜料。广泛应用于各领域，如涂料、橡胶、玻璃、陶瓷、塑料、化妆品等行业。同
时，它可以用作抛光剂、催化剂、磁流体、磁记录材料、气敏元件等。铁的氧化物的形貌及其相关性质的研究已成为材料工作者的重要工作内容。铁的氧化物按价态、晶型和结构的不同可以分为氧化亚铁(FeO)、氧化铁(Fe2O3)和四氧化三铁(Fe3O4)。氧化铁(Fe2O3)是一种红棕色粉末，俗称铁红，它可用作油漆的颜料等。它有三种类型：α-Fe宿舍文化墙2O3，β-Fe2O3和γ-Fe2O3，第一种和第三种比较有应用价值。
2三氧化二铁(α-Fe2O3)
α-Fe2O3简称氧化铁,俗称“赤铁矿”,是一种常见的铁氧化物。氧化铁结构为刚玉型,禁带宽度为2.2eV,在可见光下具有很强的吸收,是一种重要的n型半导体材料。由于α-Fe2O3在室温下很稳定,合成成本低廉,抗腐烛能力强,环境污染小等优点,因此被广泛应用于磁性记录、铁氧体的制备原料等。纳米尺寸的α-Fe2O3由于具有纳米材料的比表面大、尺寸小等特点,致使在化学性质上有更胜于块体氧化铁,如化学性质更稳定、催化活性高,还具有耐光、对紫外线屏蔽等性能。因此纳米氧化铁被广泛用于化学催化,光催化环境处理[5],锂离子电池超级电容器材料好看的电视剧[2],临床医疗等方面。
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2.1三氧化二铁纳米的性质
2.1.1 光学性质
当纳米氧化铁达到100nm 左右的粒径时，粒子对可见光没有散射能力、遮盖能力降低，理论上可见光完全透过，因此呈现出透明的状态，而且对紫外线还具有较强的吸收性能[1]，因此我们称其为透明氧化铁。
2.1.2超顺磁性质
入场券的拼音磁性铁氧化材料主要是软磁氧化铁（α-Fe2O3）和磁记录氧化铁（γ-Fe2O3）α-Fe2O3在室温下主要表现出弱铁磁性，而当其粒子粒径小于 8nm 时，在温下就会表现出超顺磁的性质[1]。γ-Fe2O3在室温下表现出铁磁性，其粒径小于10nm 的时候，就会表现出超顺磁的特性[1]。
3制备方法
国内外已经探索出多种方法制备三氧化二铁纳米粉末，包括物理方法、化学方法以及化学物理方法。化学方法包括空气氧化法、溶胶-凝胶法、均匀沉淀法、胶体化学法、强迫水解法、水热法、电化学合成法、反萃取法等；物理制备方法包括超临界流体干燥法、冷冻干燥法、微波辐射法、喷雾热分解法。从初始原料中铁的存在价态上看，制备 α-Fe2O3的途径可以分为两类：一类是从 Fe2+发，在不同的氧化剂、沉淀剂的作用下，将 Fe2+氧化成 Fe3+褶裥制备α-Fe2O3。另一类是直接从 Fe3+出发，采取不同的实验条件得到 α-Fe2O3，如图 1-1所示。
图1-1 α-Fe2O3制备路线图
3.1均匀沉淀法
重阳节的画 许多人研究发现，利用均匀沉淀的原理，使铁化合物和氨类化合物在水溶液[13] 或非水溶液中反应，控制反应条件，也可以制备氧化铁。铁化合物可以是硫酸亚铁或硫酸铁，氯化亚铁或氯化铁等。氨类化合物可以是尿素等。非水溶剂的选择要根据原料及对产物的要求不同来选择，一般为极性溶剂。水解温度必须严格控制，温度过高水分蒸发过快，体系浓度难以控制，同时铁盐的水解加剧，易出现成核不均的现象。温度过低，则不利于水解的进行。该方法的优点是水解反应发生时，氨类化合物加热产生的 NH4+、OH-。等，可以促进和控制铁盐的水解，达到快速均匀成核的目的，从而可以减少强水解带来的杂质。另外由于反应在非水溶剂中进行，干燥时不易结块，使颜料的分散性得到了改善。Patil 等人[14]在 300mL 酒精溶剂中加入 45g的FeCl2•4H20，60 ℃下加热使之溶解，然后加入15g尿素和 5mL 水，反应，回流3h，最后过滤、洗涤、干燥后得氧化铁黄。将冷却回流后所得初产品升温至 200℃，持续4h，处理可得三氧化二铁纳米粉末。
3.2氧化沉淀法
氧化沉淀法以二价铁盐为原料，所以在制备过程当中要通过氧化来实现从 Fe2+到Fe3+的转化。根据先氧化后沉淀和先沉淀后氧化过程的不同，我们将其分为酸法和碱法。
酸法是在酸性条件下，先氧化后沉淀的过程，常见的有空气氧化法、过氧化氢以及氯酸盐氧化法。空气氧化法包括晶种的制备和晶体生长两个阶段，即首先用低于理论量的碱将亚铁离子沉淀为 Fe(OH)2，通空气氧化制得 FeOOH 晶种，然后将晶种引入亚铁盐溶液中，继续通空气，Fe2+被直接氧化为 FeOOH，并沉积在晶种上使晶体不断长大。Pitzer 等[3]发现对晶种进行热处理，使之熟化一定时间，可以使纳米氧化铁在颜色饱和度方面有一定程度的改善，一般热处理温度在50 ℃至沸点之间，熟化时间由熟化温度、pH 值及晶核大小决定。根据目标产物的不同，要控制不同的氧化沉淀温度，如80～85 ℃较适合α-FeOOH 氧化铁黄的生成，温度过低，颜色饱和度下降，温度过高，Fe2+扩散速度比较快，易生成黑色的Fe3O4。另外，酸法合成产物中易引入阴离子杂质，如 SO42-。等，它们的存在可使作为颜料的纳米氧化铁透明性下降。Pitzer 等[14]采用后处理的方法，将干燥前的初产品重新悬浮于一定浓度的氢氧化钠溶液中，控制一定的反应温度和搅拌时间，过滤洗涤数次以除掉杂质，处理后产物中 SO42-的含量降低了82.6％，颜料的透明性得到了
新生儿手脚脱皮很大程度的提高。与空气氧化不同，氯酸盐氧化法的氧化和沉淀过程是完全分离的。氯酸盐首先将二价铁氧化为三价铁后，然后加碱得 Fe(OH)3无定型胶体，最后将胶体转化为稳定的FeOOH。在反应过程当中，随着氧化温度的升高，转化率也逐渐提高，一般温度控制在65～75℃，转化率可达99％以上。无定型胶体转化为热力学更稳定的晶体是整个反应中至关重要的一步，王之平等[4]在胶体中加入适量硫酸铁和单质铁，85℃下保温使浆液 pH达 3.5～4.0，很好的实现了无定形胶体到FeOOH 的转化，这可能是硫酸铁和单质铁反应产生的 FeOOH 在晶型转化过程中起到了晶种的作用，大大加速了转化速率。转化终点控制在弱酸范围内，一则可使硫酸铁和单质铁的反应顺利进行，二则可以控制晶核的形成以及晶粒的生长，得到粒径均匀的纳米氧化铁粒子。此外，为了防止粒子团聚，改善粒子的沉降过滤性能，所得产物需进行表面处理，表面活性剂通常选用烷基磺酸盐类和苯基胍类。化工涂料部研究所用氯酸盐氧化法生产了纺锤状，长径比为 3~4，粒度为10～50nm 的粉状纳米氧化铁黄。除氯酸盐外，还可用高锰酸钾等氧化二价铁为三价铁。
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