一种四氧化三铁纳米材料及其制备方法与流程

本发明属于金属氧化物纳米材料技术领域，具体为一种四氧化三铁纳米材料及其制备方法。

背景技术：

四氧化三铁作为一种过渡金属氧化物，具有低成本、无毒无污染以及良好的生物相容性等特点，广泛地应用于锂离子电池、靶向药物载体、催化剂以及磁共振成像等领域。同时，纳米结构材料由于其独特的结构和性质近年来引起了世界范围的关注和广泛研究。因此，近年来多种方法被报道用来制备纳米结构的四氧化三铁，这些方法包括直接离子共沉淀法、原子层沉积法、水热法、以及溶胶-凝胶法等。

在这些制备方法中，水热法制备四氧化三铁，是研究得较多且较为成熟的一种方法。然而，水热法制备四氧化三铁，往往需要特殊的反应容器(如水热釜等)以达到高温或高压的条件。毫无疑问，高温高压的反应条件要求将会大大地增加实验流程的复杂性以及制备成本。另外，众所周知单晶材料具有较好的电子输运特性，粗糙的表面形貌可以提供更大的活性表面积；然而，现有方法还不能实现制备出的四氧化三铁纳米材料同时具有良好晶体学特性和粗糙的表面形貌。

因此采用一种无需高温煅烧的简易方法制备出表面粗糙的单晶四氧化三铁纳米材料，在众多技术领域有着很大的应用和研究价值，在光催化，多相催化，太阳能光伏电池，气体传感器，光子晶体和生物医学等领域具有广泛的应用前景。

技术实现要素：

针对上述存在问题或不足，本发明提供了一种四氧化三铁纳米材料及其制备方法，材料形貌为沟壑状六边形，制备方法无需高温煅烧。

该四氧化三铁纳米材料，形貌为沟壑状六边形，边长120-150纳米，厚度20-30纳米，材料表面分布有沟壑。

其制备方法，包括以下步骤：

步骤1、采用阳极氧化金属铁片的方法，在金属铁片基底表面得到无定型态的氧化铁纳米颗粒薄膜；

步骤2、将步骤1得到的铁片在醇类或酮类溶剂中浸泡6-24小时，然后在50-100℃的烘箱中烘1-24小时，至烘干；

步骤3、将步骤2所得铁片放入温度为50-100℃的水合联氨与纯水的混合溶液中，水合联氨的所占体积比为0–20％，并保温10-120分钟；

步骤4、将步骤3所得铁片从浸泡容器中取出，再用无水乙醇浸泡5-60分钟，然后放置在空气中晾干，即可在铁片基底表面得到晶化的四氧化三铁薄膜。

本发明先采用阳极氧化的方法制备无定型态氧化铁先驱物，再通过水合联氨与纯水的混合溶液在低温下催化反应，使无定型态氧化铁转化为四氧化三铁，即可制得表面沟壑状的片状六边形四氧化三铁纳米材料。本发明制得的四氧化三铁纳米材料具备表面沟壑状片状六边形形貌，因此同时具备了良好晶体学特性和粗糙的表面形貌。将会使其在光催化和太阳能光伏器件等领域具有广泛的应用前景。并且本发明采用低温浸泡，具有生产效率高、合成成本低、工艺要求简单等优点。

综上所述，本发明方法无需高温煅烧，简单可行，且环保节能，成本低；制备的四氧化三铁纳米材料同时具有良好晶体学特性和粗糙的表面形貌，在光催化和太阳能光伏器件等领域具备良好的应用前景。

附图说明

图1是实施例1中阳极氧化后制备的无定形态氧化铁纳米颗粒薄膜和最终制得的四氧化三铁薄膜的XRD图；

图2是实施例2中无定形态氧化铁纳米颗粒和实施例1以及实施例2中最终制得的四氧化三铁纳米片的SEM图；

图3是实施例3中最终制得的四氧化三铁薄膜的XRD图；

图4是实施例4中最终制得的四氧化三铁单晶纳米片的TEM和SAED图；

图5是实施例5中最终制得的四氧化三铁薄膜的XRD图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例1：

步骤1、采用阳极氧化金属铁片的方法在铁基底上得到无定型态的氧化铁纳米颗粒薄膜，所用电解液为混合了体积分数为3％的纯水与质量分数为0.3％的氟化铵的乙二醇溶液，阳极氧化时间为60分钟；

步骤2、将步骤1得到的表面具有无定型态氧化铁纳米颗粒薄膜的铁片在无水乙醇中浸泡6小时，然后于80℃的烘箱中烘1小时；

步骤3、将步骤2得到的铁片放入温度为90℃的水合联氨与纯水的溶液中，水合联氨的体积分数为0％，并保温5分钟；

步骤4、将步骤3得到的铁片从浸泡容器中取出，用无水乙醇浸泡5分钟，然后放置在空气中晾干，即可在铁片基底表面得到表面沟壑状六边形四氧化三铁单晶纳米片薄膜。

对步骤1得到的铁片和步骤4最终得到的表面沟壑状六边形四氧化三铁单晶纳米片进行XRD测试，其结果如图1所示；可以看出步骤1之后的产物除了铁基底的峰外基本没有其他的峰，说明其为不定型态。然而，在溶液中处理后，可以看到除了铁基底的峰外，四氧化三铁的峰也明显得显现了出来，说明已经由不定型态转化为结晶的四氧化三铁态。

对步骤4最终得到的表面沟壑状六边形四氧化三铁单晶纳米片进行SEM测试，其结果如图2中第三幅图所示，可以看到分布均匀的纳米片，且其表面具有许多沟壑。

实施例2：

步骤1、采用阳极氧化金属铁片的方法在铁基底上得到无定型态的氧化铁纳米颗粒薄膜，所用电解液为混合了体积分数为3％的纯水与质量分数为0.3％的氟化铵的乙二醇溶液，阳极氧化时间为60分钟；

步骤2、将步骤1得到表面具有无定型态氧化铁纳米颗粒薄膜的铁片在无水乙醇中浸泡16小时，然后于70℃的烘箱中烘5小时；

步骤3、将步骤2得到的铁片放入温度为90℃的水合联氨与纯水的溶液中，水合联氨的体积分数为0％，并保温3分钟；

步骤4、将步骤3得到的铁片从浸泡容器中取出，用无水乙醇浸泡60分钟，然后放置在空气中晾干，即可在铁片基底表面得表面沟壑状六边形四氧化三铁单晶纳米片薄膜。

对步骤1得到的铁片和步骤4最终得到的表面沟壑状六边形四氧化三铁进行SEM测试，其结果如图2中前两幅图所示；可以看出，本发明在低温下使氧化铁纳米颗粒转化为四氧化三铁；表面的凹陷使其呈现出沟壑状六边形结构。结合实施例1中的SEM图，可以看出产物形貌与纯水晶化处理的时间有重要关系。

实施例3：

步骤1、采用阳极氧化金属铁片的方法在铁基底上得到无定型态的氧化铁纳米颗粒薄膜，所用电解液为混合了体积分数为3％的纯水与质量分数为0.3％的氟化铵的乙二醇溶液，阳极氧化时间为90分钟；

步骤2、然后，将得到的表面具有无定型态氧化铁纳米颗粒薄膜的铁片在无水乙醇中浸泡10小时，然后于80℃的烘箱中烘5小时；

步骤3、将步骤2得到的铁片放入温度为90℃的水合联氨与纯水的溶液中，水合联氨的体积分数为10％，并保温20分钟；

步骤4、将步骤3得到的铁片从浸泡容器中取出，用无水乙醇浸泡60分钟，然后放置在空气中晾干，即可在铁片基底表面得到表面沟壑状六边形四氧化三铁单晶纳米片薄膜。

对步骤4最终得到的四氧化三铁进行XRD测试，发现除了铁基底的峰外，四氧化三铁的峰很明显得显现了出来，证明了成功制备出了四氧化三铁。

实施例4：

步骤1、采用阳极氧化金属铁片的方法在铁基底上得到无定型态的氧化铁纳米颗粒薄膜，所用电解液为混合了体积分数为3％的纯水与质量分数为0.3％的氟化铵的乙二醇溶液，阳极氧化时间为60分钟；

步骤2、将得到的表面具有无定型态氧化铁纳米颗粒薄膜的铁片在无水乙醇中浸泡12小时，然后于60℃的烘箱中烘5小时；

步骤3、将步骤2得到的铁片放入温度为95℃的水合联氨与纯水的溶液中，水合联氨的体积分数为0％，并保温5分钟；

步骤4、将步骤3得到的铁片从浸泡容器中取出，用无水乙醇浸泡60分钟，然后放置在空气中晾干，即可在铁片基底表面得到表面沟壑状六边形四氧化三铁单晶纳米片薄膜。

对步骤4中最终得到的表面沟壑状六边形四氧化三铁进行TEM和SAED测试。从TEM图片中可以看出，本发明在低温下成功制备出表面沟壑状的六边形四氧化三铁；结合SAED图片可以看出，本发明在低温下成功制备出表面沟壑状的六边形四氧化三铁单晶纳米材料。

实施例5：

步骤1、采用阳极氧化金属铁片的方法在铁基底上得到无定型态的氧化铁纳米颗粒薄膜，所用电解液为混合了体积分数为3％的纯水与质量分数为0.3％的氟化铵的乙二醇溶液，阳极氧化时间为90分钟；

步骤2、将得到的表面具有无定型态氧化铁纳米颗粒薄膜的铁片在无水乙醇中浸泡18小时，在80℃的烘箱中烘10小时；

步骤3、将步骤2得到的铁片放入温度为95℃的水合联氨与纯水的溶液中，水合联氨的体积分数为20％，并保温5分钟；

步骤4、将步骤3得到的铁片从浸泡容器中取出，用无水乙醇浸泡30分钟，然后放置在空气中晾干，即可在铁片基底表面得到表面沟壑状六边形四氧化三铁单晶纳米片薄膜。

对步骤4最终得到的四氧化三铁进行XRD测试，发现除了铁基底的峰外，四氧化三铁的峰很明显得显现了出来，证明了成功制备出了四氧化三铁。

实施例6：

步骤1、采用阳极氧化金属铁片的方法在铁基底上得到无定型态的氧化铁纳米颗粒薄膜，所用电解液为混合了体积分数为3％的纯水与质量分数为0.3％的氟化铵的乙二醇溶液，阳极氧化时间为120分钟；

步骤2、将得到的表面具有无定型态氧化铁纳米颗粒薄膜的铁片在无水乙醇中浸泡24小时，然后于80℃的烘箱中烘12小时；

步骤3、将步骤2得到的铁片放入温度为85℃的水合联氨与纯水的溶液中，水合联氨的体积分数为0％，并保温30分钟；

步骤4、将步骤3得到的铁片从浸泡容器中取出，用无水乙醇浸泡60分钟，然后放置在空气中晾干，即可在铁片基底表面得到表面沟壑状六边形四氧化三铁单晶纳米片薄膜。

综上所述，本发明能在低温下有效地转化阳极氧化法制备的无定型态氧化铁，制备得到表面沟壑状的六边形四氧化三铁单晶材料。此方法无需高温煅烧，简单可行，而且环保节能，具有很高的经济价值。并且制备的四氧化三铁产物具有独特的形貌，在光催化和太阳能光伏器件等领域将会有良好的应用前景。