一种四氧化三铁纳米片及其制备方法与流程

本发明涉及纳米材料制备技术领域，具体涉及一种四氧化三铁纳米片及其制备方法。

背景技术：

四氧化三铁属于立方晶系，反尖晶石结构，而四氧化三铁纳米片材料具有优良的磁学特性，使其在磁存储材料、微波吸收、特种涂料、药物靶向引导、磁多功能复合材料、催化剂及生物工程等方面有重要的应用。尤其是近年来磁存储材料的存储密度迅速提高，磁性材料的超顺磁响应性受到了人们的格外关注。同时，合成具有生物安全性的四氧化三铁纳米片材料因其在细胞分离、靶向药物、磁共振成像和磁热疗等生物医学领域广阔的应用前景而成为研究热点之一。影响纳米级四氧化三铁性能的主要因素包括超顺磁性、矫顽力、磁饱和量、结晶度以及粒径和形貌等，目前所知的是其制备方法对其性能和适用领域有着非常巨大的影响。

目前用于制备四氧化三铁纳米片的方法主要有物理方法和化学方法，采用物理方法制备的纳米片一般产品纯度低、纳米片分布不均匀，有时对制备设备要求特别高，而且生产的四氧化三铁纳米片很容易被氧化，形貌也不均一；目前人们也采用各种化学方法，如液相沉积法、水热法、溶剂热法、微乳液法、溶胶凝胶法、金属有机物前体热分解法、静电纺丝法等等。其中液相沉淀法时目前制备四氧化三铁纳米材料最为广泛的一种方法，通常是以二价铁盐和三价铁盐按照1∶2比例配成溶液，利用氢氧化钠、氢氧化钾、氨水等进行沉淀制得。然而在制备过程中，由于亚铁离子在空气中容易被氧化成三价铁离子而使反应的比例发生变化。同时，强碱溶液(如氢氧化钠等)加入混合盐溶液中会有部分铁离子的水解产物生成，不利于磁性颗粒的制备。而且通过上述方法制备的四氧化三铁磁性颗粒易于团聚，晶体形态不好，工艺过程难于控制。因此在实际大规模生产中受到限制，无法进行大量应用。鉴于此如何提供一种晶体形态好、工艺过程简单易于控制、纳米颗粒不易团聚且性能稳定的四氧化三铁纳米片及其制备方法是本领域技术人员需要解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明针对现有技术技术中制备工艺复杂、晶体形态不好，不利于大规模生产的难题，而提供一种四氧化三铁纳米片及其制备方法。

本发明为解决上述技术问题，采用以下技术方案来实现：

设计一种四氧化三铁纳米片，所述的四氧化三铁纳米片的厚度在50-120nm范围之间，直径在300-650nm范围之间。

设计一种四氧化三铁纳米片的制备方法，该方法包括如下步骤：

步骤一：取质量份数为8-12份的三氯化铁、4-6份的氯化亚铁、8-12份的碳酸氢钠和2-4份的柠檬酸加入到100-200份的蒸馏水中；

步骤二：在步骤一配置的溶液中继续加入质量份数的5-9份表面活性剂在200-400rpm转速下搅拌4-10分钟，待用；

步骤三：将步骤二所得的溶液放入到反应釜中，水热保温8-12h，反应过程中溶液的温度控制在100-140℃条件下；

步骤四：将步骤三所得的产物用乙醇和/或蒸馏水作为洗涤剂，通过离心机在4000-8000rpm转速下离心洗涤7-10min；

步骤五：将步骤四所得的产物在30-50℃温度下干燥2-5h，即得到所述的四氧化三铁纳米片。

优选的，所述的表面活性剂包括聚乙二醇和十六烷基三甲基溴化铵，所述的聚乙二醇的质量份数为4-6份，所述的十六烷基三甲基溴化铵的质量份数为1-3份。

优选的，所述的聚乙二醇包括PEG8000、PFG10000和PEG20000。

优选的，所述的步骤四乙醇的质量分数为75％-90％。

本发明提出的一种四氧化三铁纳米片及其制备方法，有益效果在于：

(1)本发明方法得到的四氧化三铁纳米片纯度高，尺寸大小均匀、分布集中，形貌相似度高，便于工业化生产；

(2)本发明方法工艺简单、制备时间不超过18小时，与现有技术相比缩短了制备时间，且运用碳酸氢钠替代现有技术中强碱溶液并添加柠檬酸作为还原剂抑制了三价铁离子的水解反应，使得二价铁离子和三价铁离子的保持最优的比例，所制备的四氧化三铁纳米片的磁性性能较现有技术有很大程度的提高；

(3)本发明方法中使用聚乙二醇和十六烷基三甲基溴化铵作为表面活性剂，一方面聚乙二醇和十六烷基三甲基溴化铵有效减少产物的团聚现象、增强分散性，另一方面由于聚乙二醇作为聚合物具有稳定的交联结构，形成微反应室包裹四氧化三铁纳米材料，得到的四氧化三铁纳米片形态稳定，尺寸大小均匀、分布集中；

(4)本发明方法所得到的四氧化三铁纳米片晶体形态稳定，具有优越的磁性性能和生物安全性，在磁存储、药物靶向引导、磁多功能复合材料及生物工程方面具有重要的应用前景。

附图说明

下面结合附图中的实施例对本发明作进一步的详细说明，但并不构成对本发明的任何限制。

图1为实施例2得到的四氧化三铁纳米片的X射线衍射谱图；

图2和图3为实施例2得到的四氧化三铁纳米片不同放大倍数下扫描电子显微镜(SEM)的图片。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

实施例一

本发明的一种四氧化三铁纳米片，所述的四氧化三铁纳米片的厚度为50nm，直径为300nm。

本发明的一种四氧化三铁纳米片的制备方法，该方法包括如下步骤：

步骤一：取质量份数为8份的三氯化铁、4份的氯化亚铁、8份的碳酸氢钠和2份的柠檬酸加入到100份的蒸馏水中；

步骤二：在步骤一配置的溶液中继续加入质量份数的5份表面活性剂在200rpm转速下搅拌10分钟，待用；所述的表面活性剂包括聚乙二醇和十六烷基三甲基溴化铵，所述的聚乙二醇的质量份数为4份，所述的十六烷基三甲基溴化铵的质量份数为1份；所述的聚乙二醇包括PEG8000、PFG10000和PEG20000。

步骤三：将步骤二所得的溶液放入到反应釜中，水热保温8h，反应过程中溶液的温度控制在140℃条件下；

步骤四：将步骤三所得的产物用乙醇和/或蒸馏水作为洗涤剂，通过离心机在4000rpm转速下离心洗涤10min，所述的步骤四乙醇的质量分数为75％；

步骤五：将步骤四所得的产物在30℃温度下干燥5h，即得到所述的四氧化三铁纳米片。

实施例二

本发明的一种四氧化三铁纳米片，所述的四氧化三铁纳米片的厚度为85nm，直径为475nm。

本发明的一种四氧化三铁纳米片的制备方法，该方法包括如下步骤：

步骤一：取质量份数为10份的三氯化铁、5份的氯化亚铁、10份的碳酸氢钠和3份的柠檬酸加入到150份的蒸馏水中；

步骤二：在步骤一配置的溶液中继续加入质量份数的7份表面活性剂在300rpm转速下搅拌7分钟，待用；所述的表面活性剂包括聚乙二醇和十六烷基三甲基溴化铵，所述的聚乙二醇的质量份数为5份，所述的十六烷基三甲基溴化铵的质量份数为2份；所述的聚乙二醇包括PEG8000、PFG10000和PEG20000。

步骤三：将步骤二所得的溶液放入到反应釜中，水热保温10h，反应过程中溶液的温度控制在120℃条件下；

步骤四：将步骤三所得的产物用乙醇和/或蒸馏水作为洗涤剂，通过离心机在6000rpm转速下离心洗涤9min，所述的步骤四乙醇的质量分数为85％；

步骤五：将步骤四所得的产物在40℃温度下干燥3.5h，即得到所述的四氧化三铁纳米片。

实施例三

本发明的一种四氧化三铁纳米片，所述的四氧化三铁纳米片的厚度为120nm，直径为650nm。

本发明的一种四氧化三铁纳米片的制备方法，该方法包括如下步骤：

步骤一：取质量份数为12份的三氯化铁、6份的氯化亚铁、12份的碳酸氢钠和4份的柠檬酸加入到200份的蒸馏水中；

步骤二：在步骤一配置的溶液中继续加入质量份数的9份表面活性剂在400rpm转速下搅拌4分钟，待用；所述的表面活性剂包括聚乙二醇和十六烷基三甲基溴化铵，所述的聚乙二醇的质量份数为6份，所述的十六烷基三甲基溴化铵的质量份数为3份；所述的聚乙二醇包括PEG8000、PFG10000和PEG20000。

步骤三：将步骤二所得的溶液放入到反应釜中，水热保温12h，反应过程中溶液的温度控制在100℃条件下；

步骤四：将步骤三所得的产物用乙醇和/或蒸馏水作为洗涤剂，通过离心机在8000rpm转速下离心洗涤7min，所述的步骤四乙醇的质量分数为90％；

步骤五：将步骤四所得的产物在50℃温度下干燥2h，即得到所述的四氧化三铁纳米片。

实验验证：

参阅附图1所示，将实施例2所得到的四氧化三铁纳米片制成样品通过X射线衍射仪测量其X射线衍射图谱，衍射图谱中的特征峰与标准衍射图谱(Fe3O4PDF76-1849)的峰值吻合，说明产物的主要成分为四氧化三铁。

参阅附图2和附图3所示，将实施例3所得到的四氧化三铁纳米片制成样品通过扫描电子显微镜扫描，得到48000倍和96000倍下的SEM图。由扫描结果可知：一、样品中四氧化三铁纳米片纯度接近100％，尺寸大小均匀，外观完好率高、晶体形态稳定；二、四氧化三铁纳米片的厚度在120nm左右，直径在650nm左右，尺寸分布集中，形貌为片状结构。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。