溶液层共沉淀法制备磁性纳米颗粒的方法

摘要

本发明属于粉体制备领域，特别涉及一种采用溶液层共沉淀法制备球形磁性纳米颗粒Fe3O4的方法。本发明以铁盐和亚铁盐的混合醇溶液在密闭容器中的不锈钢带上形成溶液层，氨气作为沉淀剂与溶液层中的反应物反应生成Fe3O4颗粒呈球形。由于反应中减少了水分子的存在，从而有效地避免了颗粒的团聚。溶液层的厚度可通过涂覆溶液时进行调节，通过控制反应物醇溶液浓度以及溶液层的厚度可以调控Fe3O4颗粒粒径，范围在几纳米到几十纳米，且具有很好的分散性。

说明书

技术领域

本发明属于粉体制备领域，特别涉及一种采用溶液层共沉淀法制备球形磁性纳米颗粒Fe₃O₄的方法。

技术背景

磁性纳米颗粒，尤其是具有超顺磁性的纳米Fe₃O₄颗粒，近年来一直倍受人们的关注。磁性纳米Fe₃O₄兼具磁性材料和纳米材料的特点，广泛应用于信息、生物、医学、润滑以及磁流体等许多领域。

研究认为纳米颗粒的团聚最主要的原因之一是反应过程中水的存在，颗粒与水分子之间形成氢键。纳米磁性颗粒由于磁效应，团聚作用更强。目前Fe₃O₄的制备方法主要有物理方法、化学方法和生物源法。物理方法主要有研磨法、喷射高温分解法和激光高温分解法等。研磨法需要的时间长；高温分解法具有快速、连续化制备的特点，但需要特殊复杂的设备。化学方法简单易行，使用最多，主要有共沉淀法、微乳液法、高温热分解有机前驱体法、电化学法和超声化学法等。共沉淀法制备磁性Fe₃O₄简单方便，不需要复杂的仪器设备，是目前研究最多的一种方法。共沉淀法是将铁盐和亚铁盐按一定比例配成溶液，选用适当的碱性沉淀剂如NaOH，NH₃.H₂O等进行共沉淀，通过控制工艺条件得到性能优良的磁性Fe₃O₄颗粒。虽然共沉淀法具有以上优点，但是其工艺条件比较难控制，得到的Fe₃O₄颗粒的粒径以及分散性仍存在缺陷。

发明内容

本发明的目的是提供一种溶液层共沉淀法制备球形，且粒径小、分布均匀的磁性纳米Fe₃O颗粒的方法。采用无水乙醇为溶剂将铁盐和亚铁盐配成一定比例的溶液，氨气作为反应的沉淀剂，从而有效的减少了体系中水的存在。采用溶液层共沉淀法能够有效降低颗粒粒径，避免生成的Fe₃O₄颗粒进一步团聚。

本发明的目的是通过溶液层共沉淀法实现的，溶液层共沉淀法制备磁性纳米颗粒的方法包括以下步骤：

(1)氮气保护下，配制质量百分比浓度为1％～15％的氯化铁的醇溶液及质量百分比浓度为0.5％～6％的氯化亚铁的醇溶液；将氯化铁的醇溶液与氯化亚铁的醇溶液混合，保证混合液中Fe³⁺与Fe²⁺的摩尔比为2∶1；所述的醇为无水乙醇；

(2)向密闭容器中通入氮气，排除密闭容器中的氧气；将步骤(1)的反应物混合液置于密闭容器中，控制体系温度为25～75℃；然后将步骤(1)的反应物混合液涂覆在一转动的光滑的不锈钢带上，使反应物混合液在不锈钢带上铺展形成溶液层，不锈钢带上铺展形成溶液层的厚度为10⁷～10^-4mm；溶液层的厚度可通过涂覆控制；

(3)向步骤(2)中的密闭容器中通氨气，氨气与转动的不锈钢带上的溶液层中的反应物反应生成黑色的Fe₃O₄颗粒；

(4)将步骤(3)转动的不锈钢带上得到的Fe₃O₄颗粒收集在一槽中，用无水乙醇溶液洗脱Fe₃O₄颗粒；Fe₃O₄颗粒经无水乙醇洗涤，真空干燥至恒重，颗粒呈球形，粒径范围为3～20nm。

实施本发明方法的装置可为如图1所示的装置，包括氨气瓶1，氮气瓶2，氨气入口3，氮气入口4，样品溶液槽5，上方滑轮6，氮气排放口7，密闭容器8，不锈钢薄带9，隔离板10，下方滑轮11，样品收集槽12，氨气排放口13；

在一密闭容器8里由隔离板10分为上下两容器，在下容器里有一样品收集槽12，在样品收集槽里安装有一下方滑轮11，在下方滑轮上方的上容器里安装有一上方滑轮6，上方滑轮6与下方滑轮11用一不锈钢薄带9连接，且不锈钢带由滑轮带动旋转；一样品溶液槽5固定在上方滑轮6上；

在密闭容器8的下部一侧壁上开有氨气排放口13，上部开有氮气排放口7；在另一上部侧壁上开有氨气入口3及氮气入口4，氨气入口通过管路与氨气源(氨气瓶1)相通，氮气入口通过管路与氮气源(氮气瓶2)相通。

本发明以铁盐和亚铁盐的混合醇溶液在密闭容器中的不锈钢带上形成溶液层，氨气作为沉淀剂与溶液层中的反应物反应生成Fe₃O₄，得到的Fe₃O₄颗粒呈球形。由于反应中减少了水分子的存在，从而有效地避免了颗粒的团聚。溶液层的厚度可通过涂覆溶液时进行调节(如实施例1溶液槽出口与不锈钢带间的距离控制)，通过控制反应物醇溶液浓度以及溶液层的厚度可以调控Fe₃O₄颗粒粒径，范围在几纳米到几十纳米，且具有很好的分散性。

附图说明

图1.本发明实施例1的溶液层共沉淀法制备磁性纳米颗粒的方法所用装置示意图。

图2.本发明对比例中Fe₃O₄颗粒的TEM照片。

图3.本发明实施例1中Fe₃O₄颗粒的TEM照片。

附图标记

1.氨气瓶        2.氮气瓶        3.氨气入口

4.氮气入口      5.样品溶液槽    6.上方滑轮

7.氮气排放口    8.密闭容器      9.不锈钢薄带

10.隔离板       11.下方滑轮     12.样品收集槽

13.氨气排放口

具体实施方式

对比例.共沉淀法制备磁性Fe₃O₄颗粒

在800ml去离子水的2L搅拌式反应器中加入40.0gFeCl₃.6H₂O和14.7gFeCl₂.4H₂O，在氮气保护下升温至80℃，倾入约80ml，质量浓度为25％的浓氨水，恒温30min后冷却至室温。产物经磁铁分离后，经去离子水反复洗涤，真空干燥12小时，得到平均粒径为5～20的黑色粉末状颗粒。

实施例1.

采用如图1所示的装置。包括氨气瓶1，氮气瓶2，氨气入口3，氮气入口4，样品溶液槽5，上方滑轮6，氮气排放口7，密闭容器8，不锈钢薄带9，隔离板10，下方滑轮11，样品收集槽12，氨气排放口13；

在一密闭容器8里由隔离板10分为上下两容器，在下容器里有一样品收集槽12，在样品收集槽里安装有一下方滑轮11，在下方滑轮上方的上容器里安装有一上方滑轮6，上方滑轮6与下方滑轮11用一不锈钢薄带9连接，且不锈钢带由滑轮带动旋转；一样品溶液槽5固定在上方滑轮6上；

在密闭容器8的下部一侧壁上开有氨气排放口13，上部开有氮气排放口7；在另一上部侧壁上开有氨气入口3及氮气入口4，氨气入口通过管路与氨气瓶1相通，氮气入口通过管路与氮气瓶2相通。

(1)氮气保护下，在200ml无水乙醇中加入10.0gFeCl₃.6H₂O和3.7gFeCl₂.4H₂O配制反应物醇溶液，保证Fe³⁺与Fe²⁺的摩尔比为2∶1。

(2)向密闭容器8中通入由氮气瓶2提供的氮气，排除密闭容器中的氧气；将步骤(1)的反应物混合液置于密闭容器中的固定在上方滑轮6上的溶液槽5中，控制体系温度为45℃；光滑的不锈钢带9由滑轮带动旋转，打开溶液槽开关，反应物溶液在不锈钢带上铺展形成溶液层。不锈钢带上铺展形成溶液层由溶液槽出口与不锈钢带间的距离控制厚度为10-7～10-4mm；

(3)向步骤(2)中的密闭容器中通氨气(由氨气瓶1提供)，氨气与转动的不锈钢带上的溶液层中的反应物反应生成黑色的Fe₃O₄颗粒；

(4)将步骤(3)转动的不锈钢带上得到的Fe₃O₄颗粒，由不锈钢带带到样品收集槽12中，用无水乙醇溶液洗脱Fe₃O₄颗粒；Fe₃O₄颗粒经无水乙醇洗涤，真空干燥至恒重，颗粒呈球形，粒径范围为3～20nm。