一种Fe₃O₄纳米颗粒的制备方法

专利名称：一种Fe₃O₄纳米颗粒的制备方法
技术领域：
本发明属于纳米材料技术领，特别涉及纳米金属氧化物材料的制备。
背景技术：
纳米材料由于具有特有的小尺寸效应、表面特性和多种优异的物理、化学性能，使其具 有广泛的潜在应用前景。Fe304纳米颗粒材料是具有特殊的半金属铁磁特性、较高的表面活性、 无毒和很好的生物相容性的低成本纳米材料，在磁流体、催化剂、高密度垂直磁记录、造影 剂、靶向药物、生物技术、生命科学与技术等领域具有广泛的应用前景。同时铁资源丰富、 成败低廉，使Fe304纳米颗粒材料具有的显著的实用价值。因此开发出能批量、低成本和可控 制备尺寸均匀的Fe304纳米磁性颗粒材料的方法具有重要意义。目前Fe304纳米颗粒材料主要 采用机械粉碎法；真空电弧放电法；有机物法分解法；溶胶一凝胶法；化学沉淀法和微乳液 法等方法制备。这些制备方法各有特色和优点，但也有一些不足，如周期长，或工艺复杂， 或成本高等问题。故开发新的Fe304纳米磁性颗粒制备方法仍具有很大的吸引力。迄今，尙未 见关于在非真空条件下、在水介质中利用电弧放电法制备Fe304纳米磁性颗粒的报道。

发明内容
本发明的目的在于，提出一种成本低、操作简便的Fe304纳米磁性颗粒材料的制备方法。 本方法制备所需原材料为工业纯铁棒，原材料丰富、成本低，本方法还具有设备简单、工艺 参数可控、能连续批量生产等优点。
本发明的特征在于，是采用电弧放电、纯铁阳极自耗制备Fe304纳米颗粒，其特征在于， 是在水介质中进行制备。
含有以下步骤
1) 将放电电极置于装有去离子水的容器中，阴极采用石墨棒，阳极采用纯铁棒；
2) 将阴极和阳极分别与直流电源的负极和正极相连接；
3) 将阴极和阳极移动至能发生电弧放电的起弧距离，启动直流电源，使电极开始起弧放电，
合成纳米Fe304颗粒； 4)停止电弧放电，收集水中合成的纳米颗粒产物。
所述容器中去离子水的高度高于电极20ram。所述直流电源的放电电流为20 120 A，电流 密度约为0.7 4.3A/mm2，放电电压为16 23V。阴极采用直径大于等于阳极的石墨棒。
在所述第3)步中，利用步进电机进行阳极供给，使得能够连续合成Fe304颗粒。采用自 反馈系统对所述步进电机自动供给阳极的速度进行控制；所述自反馈系统含有控制电路和步 进电机控制器；所述阴极和阳极分别用夹持器固定，所述控制电路的检测信号输入端分别连 接所述阴极和阳极的夹持器，所述步进电机控制器的控制信号输入端连接控制电路的输出端， 步进电机控制器的控制信号输出端连接所述步进电机的控制信号输入端。
有益效果，本发明制备得到的Fe304纳米磁性颗粒呈球形、尺寸均匀，具有多种优异性能， 达到了预期的目的。


图l是本发明制备装置图2是放电电流为20A ，放电电流密度0.7A/mm2，输出电压为6V时的合成产物形貌图； 图3是放电电流为60A ，放电电流密度2.1A/mm2，输出电压为9V时的合成产物形貌图； 图4是放电电流为120A ，放电电流密度4.2A/mm2，输出电压16V时的合成产物形貌图。
具体实施例方式
本发明中合成Fe304纳米磁性颗粒的原理是采用工业纯铁为阳极，采用光谱纯石墨棒为 阴极，将电极置于去离子水中，利用电弧放电使铁棒气化获得铁原子(包括铁离子)，同时， 在电弧高温的作用下，将水分解出氢和氧，为合成Fe304纳米颗粒提供氧。然后，在合适的工 艺参数条件下，合成出球形完整、尺寸均匀的Fe304纳米磁性颗粒。具体步骤为
1. 设备装置如图1所示，采用直流输出电源；电弧放电；可通过手动供给或步进电机进行 阳极连续供给，或采用其它方式供给方式；将放电电极(阴极和阳极)置于容器中，在容器 中加入去离子水，水面高度高于电极20mm以上。
2. 电极材料阴极采用纯石墨棒，阴极直径大于等于阳极直径；阳极采用工业纯铁棒。阳极 为消耗材料。
3. 将阴极和阳极分别与直流电源的负极和正极相连接。
4. 设置电源的输出电流和输出电压，设置步进电机的进给速度。
5. 启动电源和步进电机控制系统，先快速进给使电极移动至能发生电弧放电的起弧距离、并 起弧放电，然后利用控制装置以合适的速度自动进给阳极，保持连续电弧放电和电弧的稳定 性，连续合成纳米Fe304磁性颗粒。
6. 停止电弧放电，收集水中合成的纳米颗粒产物。或利用水流将产物带至产物收集器中收集。
7. 不同工艺参数，产物的尺寸、几何形态、产量均不同。工艺参数范围约为供给放电电流
约为20-120 A (电流密度约为0.7~4.3A/mm2);供给放电电压约为16-23 V。
实施例1:小尺寸Fe304纳米磁性颗粒的合成
采用图1所示的设备装置，阴极电极1的材料为光谱纯石墨棒，阳极电极2的材料为工 业纯铁金属棒。将两极置于盛满去离子水3反应容器4中，中心对齐并保持一定的初始距离。 5和6分别为阴极和阳极的夹持器，7为导轨，用于驱动阳极进退。使用直流电源供电，通过 自反馈系统，及时调整两极之间的距离，保持稳定的输出电压和使得阴阳极之间产生稳定的 电弧。自反馈系统包括含有控制电路和步进电机控制器；控制电路的检测信号输入端分别连 接阴极和阳极的夹持器，步进电机控制器的控制信号输入端连接控制电路的输出端，步进电 机控制器的控制信号输出端连接所述步进电机的控制信号输入端。步骤如下
1) 将放电电极置于装有去离子水的容器中，水面高度高于电极约20 mm以上。阴极采 用直径约为15mm的光谱纯石墨棒，直径约为阳极的2.5倍；阳极采用直径约为6mm的工业 纯铁棒。
2) 将阴极和阳极分别与直流电源的负极和正极相连接；利用步进电机进行阳极供给；
3) 启动直流电源和步进电机，使电极移动至能发生电弧放电的起弧距离，开始起弧放 电，并利用步进电机自动进给阳极，保持连续电弧放电和电弧的稳定性，连续合成纳米Fe304 磁性颗；电源的输出参数设置放电电流为20A ，放电电流密度0.7A/mm2;输出电压 16V。设置步进电机的进给速度，采用自反馈系统，保持步进电机电压稳定。
4) 停止电弧放电，收集水中合成的纳米颗粒产物。或利用水流将产物带至产物收集器 中收集，这样可是使得制备过程连续。
帝iJ备得到的Fe304纳米颗粒接近球形，尺寸分布范围约为5—20nm。平均颗粒尺寸约为 10nm。产物基本上是Fe304纳米颗粒，但由于电流较低，单位时间的产量较小。图2所示为放 电电流为20A ，放电电流密度0.7A/mm2，输出电压为16V时的合成产物形貌。图中有上角 插图为产物的电子衍射花样，表明产物为Fe304纳米颗粒。
实施例2:平均粒径约为20 nm的Fe304纳米磁性颗粒的合成
其它实验条件同实施例l，电源参数设置为放电电流为60 A ，放电电流密度2.1
A/mm2;放电电压19 V。
制备得到的Fe304纳米颗粒基本呈球形，颗粒尺寸基本上分布在15—35 nm，平均尺寸约 为20nm。产物中约80X以上为球形Fe3O4纳米颗粒，另有少量纳米碳膜。产物的饱和磁化强 度约为64.97 emu/g。图3所示为放电电流为60A ，放电电流密度2.1 A/mm2，输出电压为 19V时的合成产物形貌。图中有上角插图为产物的电子衍射花样，表明产物为Fe304纳米颗粒。
实施例3:平均尺寸约为30—40纳米的Fe304纳米磁性颗粒的合成
其它实验条件同实施例l，电源参数设置为80A ，放电电流密度2.8A/mm2，输出电 压21 V。
制备得到的的Fe304纳米颗粒呈球形，尺寸分布范围为10 — 65 nm，平均尺寸约为30—40nm。
实施例4:大电流条件下合成的Fe304纳米磁性颗粒
其它实验条件同实施例l,电源参数设置为放电电流为120 A ，放电电流密度4.2 A/mm2;放电电压16 V。
制备得到的Fe304纳米颗粒基本呈球形，颗粒尺寸基本上分布在20—70 nm。产物另有部 分纳米线产物。图4所示为放电电流为120A ，放电电流密度4.2 A/mm2，输出电压为16V 时的合成产物形貌。图中有上角插图为产物的电子衍射花样，表明产物为Fe304纳米颗粒。
实施例5:大尺寸Fe304纳米磁性颗粒的合成
其它实验条件同实施例l，电源参数设置为放电电流为60 A ，放电电流密度2.1 A/mm2;放电电压23 V。
制备得到的Fe304纳米颗粒呈不规则球形，颗粒尺寸基本上分布在30—120 nm。产物中
另有部分纳米线产物。
权利要求
1、一种Fe3O4纳米颗粒的制备方法，是采用电弧放电、纯铁阳极自耗制备Fe3O4纳米颗粒，其特征在于，是在水介质中进行制备。
2、 如权利要求l所述的FeA纳米颗粒的制备方法，其特征在于，含有以下步骤1) 将放电电极置于装有去离子水的容器中，阴极采用石墨棒，阳极采用纯铁棒；2) 将阴极和阳极分别与直流电源的负极和正极相连接；3) 将阴极和阳极移动至能发生电弧放电的起弧距离，启动直流电源，使电极开始起弧放电，合成纳米Fe304颗粒；4) 停止电弧放电，收集水中合成的纳米颗粒产物。
3、 如权利要求2所述的FeA纳米颗粒的制备方法，其特征在于，所述容器中去离子水的高度 高于电极20mm。
4、 如权利要求2所述的Fe304纳米颗粒的制备方法，其特征在于，所述直流电源的放电电流为 20~120A，电流密度约为0.7 4.3 A/mm2，放电电压为16 23V。
5、 如权利要求2所述的Fe304纳米颗粒的制备方法，其特征在于，阴极采用直径大于等于阳极 的石墨棒。
6、 如权利要求2所述的FeA纳米颗粒的制备方法，其特征在于，在所述第3)步中，利用步进 电机进行阳极供给，使得能够连续合成Fe304颗粒。
7、 如权利要求6所述的Fe:A纳米颗粒的制备方法，其特征在于，采用自反馈系统对所述步进 电机自动供给阳极的速度进行控制；所述自反馈系统含有控制电路和步进电机控制器；所述 阴极和阳极分别用夹持器固定，所述控制电路的检测信号输入端分别连接所述阴极和阳极的 夹持器，所述步进电机控制器的控制信号输入端连接控制电路的输出端，步进电机控制器的 控制信号输出端连接所述步进电机的控制信号输入端。
全文摘要
一种Fe₃O₄纳米颗粒的制备方法属于纳米材料技术领域，特别涉及纳米金属氧化物材料的制备。其特征在于，是采用电弧放电、纯铁阳极自耗制备Fe₃O₄纳米颗粒，并且在水介质中进行制备。本发明制备得到的Fe₃O₄纳米磁性颗粒呈球形、尺寸均匀，具有多种优异性能。本方法制备所需原材料为工业纯铁棒，原材料丰富、成本低，本方法还具有设备简单、工艺参数可控、能连续批量生产等优点。
文档编号C01G49/02GK101100315SQ20071011893
公开日2008年1月9日 申请日期2007年6月15日 优先权日2007年6月15日
发明者姚可夫, 范肖凌 申请人:清华大学