磁性颗粒Fe3O4的制备和应用分析

杨宏伟

[摘 要]磁性颗粒的制备，常常采用溶胶凝胶的方法获得，通过改变各反应物浓度，制备不同尺寸的Fe3O4磁性颗粒，用X-射线衍射（XRD）、X-透射电子顯微镜（TEM）、电子衍射 （ED）对不同大小颗粒进行了结构和形貌表征，运用了振动样品磁强计 （VSM）对其进行磁学特性测量，这种方法能够制备不同粒径立方尖晶石结构的Fe3O4磁性颗粒，不同粒径的Fe3O4颗粒形貌、磁性等性质均有所不同， 导致不同粒径的Fe3O4颗粒的其他性质及其用途也不一样，因此，制备不同尺寸Fe3O4磁性颗粒并对其特性进行研究成为令人关注的焦点。

[关键词] 磁力；凝胶法；Fe3O4；磁性颗粒

一、磁料制备

通过实验，将20mL的 KOH 溶液倒入烧瓶中搅拌，再将20mL的KNO3 溶液加入其中，充分搅拌后，将10mL的FeSO4溶液缓慢加入，反应溶液呈墨绿色，并产生一些絮状物质.充分搅拌后移入90℃的水浴中陈4h，便可得到黑色Fe3O4凝胶溶液。将上述凝胶溶液置于磁场中分离出Fe3O4磁性颗粒，并采用去离子水清洗3～4遍，将清洗好的Fe3O4颗粒在常温下真空干燥，得到黑色Fe3O4粉末。用TEM观察生成Fe3O4颗粒形貌，用电子衍射和XRD测量其晶体结构，用VSM测量其磁性。

二、实验及分析

1.Fe3O4 磁粒微结构分析： 实验过程中，通过分别改变反应物KOH和FeSO4 浓度比得到粒径不同的Fe3O4磁性颗粒，对不同浓度下制备得到的Fe3O4磁性颗粒进行TEM表征，可以得出：随着浓度变化， 颗粒尺寸得到了很好的控制， 随着粒子尺寸增大，粒子逐渐呈球形，但是尺寸均一性变差，尺寸分布较宽。

由图1、图2可以算出此样品各个衍射环对应的晶面间距d ，从而可以判断出样品的晶体结构，不同的d代表不同的晶面结构.由XRD谱图中衍射峰对应的衍射角θ，并利用2dsinθ=nλXRD算出样品的晶面间距d，λ是 X-射线波长， n为整数。将计算得到的d，与Fe3O4晶面间距理论值d进行比较，二者的结果符合得很好，表明此样品是立方尖晶石结构Fe3O4 ，对其他样品分析得到了类似ED照片和XRD谱图，因此可以推出它们都是立方尖晶石结构的Fe3O4。

2.各化学成分量对Fe3O4 磁粒粒径的影响：实验中采用典型溶胶凝胶法制备Fe3O4磁性颗粒，反应机理是先将FeSO4 溶液与KOH溶液相混合，生成Fe（OH）2凝胶， 然后加入KNO3溶液， 这时凝胶内有很多非常细小的Fe3O4粒子生成，由于凝胶网络关系，这些粒子既无明显的生长也不聚沉，当这些一级粒子积累了相当多以后， 凝胶网络也部分溶解，突然开始聚沉成簇，这些簇包含一定数量的一级粒子 ，并作为二级粒子核，团聚邻近的粒子，而余下未溶解部分凝胶网络则阻止隔离二级粒子聚沉，从而形成单分散球形 Fe3O4粒子，因此溶液中反应物浓度会影响生成Fe3O4粒径大小.由 C（Fe2+）和 C（OH-）分别过量反应时生成Fe3O4磁性颗粒分布，可见当过量的Fe2+浓度为15mmol/L时， Fe3O4颗粒粒径为最大，大约1388nm， C（Fe2+）过量越多得到的Fe3O4颗粒粒径越小。产生这一现象的原因是：当C（OH-）过量时，过量OH-吸附刚刚生成的一级粒子，电荷排斥力阻止了粒子进一步长大，因此随着过量OH-的浓度逐渐增大，生成Fe3O4颗粒的粒径逐渐减小，当 C（Fe2+）逐渐过量，反应体系的pH 值接近Fe3O4颗粒在90℃下的等电点时，生成一级粒子表面的净电荷为零，粒子之间斥力最小，所以一级粒子很容易聚集成团而生成大的颗粒，但随着Fe2+浓度的进一步增大，反应体系的pH 值进一步下降 ，颗粒表面净电荷增加，颗粒表面斥力随之增加， 颗粒粒径也逐渐减小。

3.生成物Fe3O4 颗粒磁性比较：采用VSM测量了制品不同尺寸的磁滞回线，得到了各样品饱和磁化强度（MS）、剩磁（MR）和矫顽力（HC）数据，随着粒子Fe3O4尺寸增大，HC值减小。当Fe3O4的粒径小于80nm时为单畴粒子；当颗粒尺寸大于单畴临界尺寸时为多畴结构，H C较小。随着粒径逐渐减小，由于表面缺陷和表面畴对畴壁位移的阻滞或钉轧效应随粒径减小而增大， HC逐渐增大。随着粒径进一步减小，接近和达到单畴临界尺寸。不同尺寸Fe3O4磁性颗粒制备和表征时，HC继续增大，最终在40～50nm 处达到最大，这与观察到的实验结果相符合。

三、结语

用溶胶凝胶法制备粒径不同的Fe3O4磁性颗粒， 颗粒分布在35～1300 nm 之间，通过控制反应物中Fe2 +和OH-的浓度可以控制生成的Fe3O4颗粒尺寸。当溶液中 Fe2+与OH-正好和C（OH-）过量时， Fe3O4颗粒粒径在40～50nm左右，当C（Fe2+）过量4～5mmol/L时，颗粒粒径在60～80nm 左右；当C（Fe2+ ）过量3～3.5mmol/L时，颗粒粒径在280～420 nm 左右；当C（Fe2+）过量很多时，颗粒粒径会增大到微米级.采用透射电子显微镜观察其形貌可发现：在粒径小于300nm时，纳米颗粒呈方形，随着粒径变大，颗粒呈球形。采用振动样品磁强计发现Fe3O4粒子矫顽力（HC）有明显尺寸依赖性。

参考文献 ：

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