纳米铁酸锌的制备方法及其应用

邓孝纯, 李 慧, 张汉鑫, 张立生

(华北理工大学冶金与能源学院 现代冶金技术教育部重点实验室, 河北 唐山 063210)

铁酸锌是一类以Fe3+(Ⅲ)氧化物为主要成分的具有正尖晶石结构的重要软磁铁氧体材料[1-5]。铁酸锌可用作丁烯的氧化脱氢催化剂，也可用作对可见光敏感的半导体催化剂[6]。纳米微粒具备四大纳米效应：表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应[7]。此外，铁酸锌是一种性能优良的透明无机颜料，其显著特点是耐热、耐光、无毒和防锈[8-10]。用α-Fe2O3和ZnO化合而成的ZnFe2O4不仅具有Fe2O3高硫容、反应速度快、易于再生的特点，而且具有ZnO脱硫精度高的特点。纳米ZnFe2O4将展现出更加优异的物理化学性能，特别是氧缺位的纳米ZnFe2O4在治理大气污染方面有良好的应用前景。

纳米科技已成为当前科技发展的热点，而首要任务就是制备各种纳米材料。因此，对纳米材料制备方法的进一步研究已经是纳米科技的重要组成部分。下面对纳米铁酸锌的应用及其制备方法的研究现状进行介绍。

1 铁酸锌的应用

1.1 防锈颜料

在ZnFe2O4的各种材料性能中，防锈涂料实用性最高[11]。作为新型尖晶石型铁酸盐颜料的代表，ZnFe2O4可被认为是氧化铁的活性产物，高温稳定，不溶于水、酸与稀碱，不含重金属，可作为塑料橡胶的高温颜料，粉末涂料与炉窑面漆。周铭等[12]以ZnFe2O4为原料制备环氧脂底漆，并进行了耐盐水性腐蚀试验，在相同试验条件下，ZnFe2O4环氧底漆的耐盐水性优于Ca/SiO2环氧底漆。

1.2 气敏材料

ZnFe2O4具备良好的气敏特性[13]。焦正[14]以共沉淀法合成的纳米ZnFe2O4为原料制备了厚膜气敏元件，并进行了特性研究，其对还原性气体有很高的灵敏度。ZnFe2O4气敏元件稳定性好，完整的晶体结构使其几乎不出现电阻飘移现象。此外，ZnFe2O4气敏元件对CO有较好的选择性。

1.3 催化活性

纳米ZnFe2O4有很高的光催化活性，是一种对可见光敏感的半导体催化剂[15]。ZnFe2O4在烃类的氧化脱氢、非脱合成及CO2分解成C等反应中表现出良好的催化特性[16]。

ZnFe2O4的光催化活性可用于高温煤气脱硫，还可作为氧化脱氢的催化剂[17-23]。ZnFe2O4兼备了氧化铁耐高温、氧化锌脱硫精度高的特点，且具备脱硫效率较高、循环寿命长、易再生等特点。

1.4 电化学性能

纳米ZnFe2O4具有活跃的电化学性能[24]。张嘉等[25]采用溶剂热法合成球形中空ZnFe2O4纳米材料用作负极材料，充放电循环50个周期后仍保持容量655 mAh/g，具备循环性能好、电化学阻抗低、放电比容量高等优点，可用作储能材料以克服绿色能源间歇性缺陷的问题，成为解决能源问题的关键。

1.5 吸波特性

投射到纳米ZnFe2O4表面的电磁波能够被其有效地吸收、散射和反射。陈婷立[26]在纤维织物的表面覆盖了纳米铁酸锌，铁氧体与电磁波之间出现铁磁共振，可有效吸收电磁波。利用其质量轻、频带宽、厚度小的优点，通过掺杂处理和表面改性制成多元复合尖晶石隐形涂料，可有效降低敌方雷达侦测到武器的概率。此外，利用其吸波特性[27]，针对某些放射性物质，还可制成隔离罩或防护服，从而起到一定的保护作用。

1.6 软磁特性

综合利用ZnFe2O4优良的软磁特性及其化学性质稳定且无毒的特点，可用作靶向药物传递载体，最大程度发挥药物药性[28-30]。同时，利用其磁性分离技术可以快速、经济地实现固液分离，其磁性也被广泛应用于信息记忆存储材料中。

2 纳米铁酸锌制备方法的研究进展

纳米铁酸锌的制备方法有很多，常用方法有化学共沉淀法、溶胶- 凝胶法、水热法、微乳液法和冲击波合成法等。

2.1 微乳液法

微乳液法借助表面活性剂使互不相溶的的溶剂形成微型乳液，经反应、成核等过程，高温处理后即可获得纳米粉体。该方法操作简便、反应装置简单、所得产物粒子尺寸小，粒子不易团聚。

肖旭贤等[31]采用TX-10/AEO9/水/环己烷/醇微乳液体系制备纳米ZnFe2O4，以正戊醇为表面活性剂形成的微乳液体系W/O面积和水含量最大，且在35℃时微乳液体系最佳，在350 ℃条件下煅烧2 h即可制得纳米ZnFe2O4。所得产物具有形状规则、粒度均匀、粒径小(10～40 nm)、分散性好的特点。杨翠珍等[32]采用微乳液法制备得到ZnFe2O4纳米棒(R-ZFO)的前驱体ZnFe2(C2O4)3，然后将其在900 ℃下煅烧3 h，即可以得到一维棒状结构的ZnFe2O4纳米棒，直径大约为200 nm，长度为1～10 μm。

2.2 前驱物固相反应法

前驱物固相反应法[33]是在中低温或溶液中制备一个有确定组成、受热分解的前驱物或者单项固溶体，再制备成介稳态固相产物或动力学控制的化合物。此方法主要应用在固体无机化合物(包含纳米相功能材料) 的制备上，反应物在分子态尺寸上达到充分接触与混匀，克服了扩散控制步骤。与传统的固相加热法相比，反应所需要的温度大大降低，反应时间缩短，试验操作难度降低。

张建立[33]采用前驱物固相反应法，利用锌和铁的可溶性盐制备得到单相化合物[ZnFe2(C2O4)3]，经过滤、洗涤、干燥后，在700 ℃条件下进行灼烧获得ZnFe2O4。所得产物杂质少，纯度高。曹宇等[34]采用固相法以微波加热的方式制备得到ZnFe2O4。采用微波加热的方法不仅加快了加热速度和粒子扩散，而且使物质受热均匀，降低了反应活化能。所得产物具有结晶度好、晶粒完整、脱硫转化效率高、硫容好等特点[35]。

2.3 燃烧法

燃烧法[36-37]是在氧化还原反应的基础上，利用推进剂化学理论将还原性的燃料和氧化性的金属盐按一定比例配成凝胶、浆液或溶液，在加热条件下燃烧产生相应金属氧化物。该方法具有制备周期短、操作简单等优点。

姜久兴等[38]采用燃烧合成法制备ZnFe2O4，该反应是由溶解- 析出机制控制的固- 液反应，且结晶过程中会发生晶粒细化。当压力范围为0.8～1.0MPa，合成反应温度为1 550～1 600 K时，晶格结构最完整，锌铁氧化体的转化率最大。牛俊粉等[39]用自蔓延燃烧法制备ZnFe2O4微粉，所得ZnFe2O4纯度较高，粒度分布较均匀，形状规则，颗粒粒径相对较窄。

2.4 共沉淀法

共沉淀法是制备含有两种或两种以上金属元素的复合氧化物超细粉体的重要方法。其优点在于：工艺简单、操作简便、反应条件温和以及工艺参数可调控。

田庆华等[8]采用“共沉淀- 干燥- 热分解”方法合成纳米ZnFe2O4，所得样品分散性较好，粒度分布均匀，颗粒粒径分布在20～50 nm之间。徐波等[40]用共沉淀合成法制出尖晶石型纳米ZnFe2O4颗粒，其纯度高、结晶性好，样品结构为单晶立方结构，尺寸分布在14～17 nm之间。随着焙烧温度的升高，结晶性能变好，饱和磁化强度降低。

3 结论及展望

随着新技术的不断涌现和科学技术的不断发展，纳米ZnFe2O4制备技术发展迅速。尽管上述制备方法各有优点，但也存在着各自的缺点，如成本较高的微乳液法，使其很难实现工业化。前驱物固相法的前驱体有热解性，这限制了其制备。自蔓延燃烧法不能充分的利用好燃烧所释放的热量，出现晶粒长大烧结等问题，因此有待做进一步地研究与探讨。同时，ZnFe2O4纳米颗粒的制备还是处于初级探索阶段，为了真正实现实际应用，还需做大量的基础研究工作，应强化现有纳米颗粒制备方法与过程的研究，促使其实现工业化。