纳米氧化铁粉体的溶胶-凝胶法制备
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第3 2卷第5期 压电与声光 Vo1.32 N0.5 2OlO年10R PIEZOELECTRICS&ACOUSTOOPTICS Oct.2010 文章编号:1004—2474(2010)05—0827—03 纳米氧化铁粉体的溶胶一凝胶法制备 伍媛婷,王秀峰,李二元,李清春 (陕西科技大学材料科学与工程学院,陕西西安710021) 摘要:以硫酸亚铁为原料,柠檬酸为螫合剂,通过溶胶一凝胶法制备Fe 0。纳米粒子,采用X一射线衍射(XRD) 和差重一热重(TC ̄DTA)分析研究了Fez0。晶相的形成过程,用扫描电镜(SEM)对所制得粉体的表面形貌进行了 分析。结果表明,煅烧温度应高于520℃,所制备纳米粉体为a—Fe 0。,为球形颗粒,Fe。0。粉体粒度随煅烧温度的 升高而增大,煅烧温度为600 C时,可获得30 nm的 —Fe。0。颗粒,粉体颗粒大小均匀,分散性好。 关键词:硫酸亚铁;氧化铁;溶胶一凝胶;柠檬酸 中图分类号:TQ138.1+1 文献标识码:A Sol-Gel Preparation of Fe2 03 Nanopowders WU Yuanting,WANG Xiufeng,LI Eryuan,LI Qingchun (School of Materials Science&Engineering,Shaanxi University of Science&Technology.Xi’an 710021.China) Abstract:With ferrous sulfate as starting material and citric acid as chelating agent,Fe2 O3 nanopowder was synthesized by Sol—Gel method.The evolution of Fe2 O3 crystal phase was investigated by XRD and TG-DTA.The morphology of Fe2 O3 nanopowders was studied by SEM.Experimental results showed that the annealing temperature must be higher than 520 C.The Fe2 O3 particles consisted of a~Fe2 O3 only,and the grain morphology appeared with spherica1.The crystalline size increased with the increasing of annealing temperature.The particle size was about 30 nm with good dispersion when calcined at 600 C. Key words:ferrous sulfate;Fe2 O3;Sol—Gel;citrate 氧化铁作为一种重要的工业原料和产品,其性 1.2粉体制备 能和制备研究一直得到人们的广泛关注。a Fe。O。、 将烧杯依次用质量分数15%的盐酸、去离子水  ̄-Fe 0。、a—FeOOH、Fe。O 等具有实用价值。其中 在超声波中洗涤。以去离子水与无水乙醇混合物作 a—Fe。O。是铁氧化物中最常见的一种,属半导体材 溶剂(体积比为3:2),将质量分数分别为8.3 ~ 料,禁带宽度2.2 eVI】]。纳米氧化铁具有良好的耐 9.2 、1.1 ~1.5 、1.8 ~2.3 的柠檬酸、硫酸 候性、耐光性、磁性,且对紫外线具有良好的吸收和 亚铁和聚乙二醇加入溶剂,磁力搅拌溶解以配制前 屏蔽效应,可广泛应用于涂料、催化剂、气敏材料、闪 光材料、油墨、塑料、电子、高磁记录材料及生物医学 驱物,在80~85℃水浴蒸发至湿凝胶,130。C条件 等方面 ]。 下干燥发泡以获得干凝胶,凝胶在一定温度下煅烧 如何制备高纯、超细、均匀的纳米氧化铁已成为 而得氧化铁粉体。 研究的热点。制备纳米氧化铁的方法较多,主要有 1.3性能表征 ’ 溶胶一凝胶(Sol—Ge1)法l_5]、水热法l6]、微乳液法、固相 在热分析仪上(STA409PC)测定粉体的差重一 法、沉淀法和水解法 等。本文采用柠檬酸为络合 热重(TG—DSC)分析曲线,用X一射线衍射(XRD)仪 剂的新型Sol—Gel法,以硫酸亚铁为原料,制备了纯 (D/max一22ooPC)测定不同煅烧温度下氧化铁粉体 度高,分散性好的球形纳米a-Fe。0s。 的晶型及成分,用光学显微镜(CMM一55E)观察干凝 1 实验 胶的形貌,用扫描电子显微镜(JSM一6700F)测定氧 1.1实验原料 化铁粉体的形貌和粒径。 硫酸亚铁:FeSO ・7H。0,分析纯;柠檬酸 2 结果与讨论 H o7・H2O,分析纯;聚乙二醇6 000:HO (CH CH。0) H,化学纯,平均分子量为5 500~ 2.1干凝胶的形貌 7 000;无水乙醇:CH。CH OH,分析纯;去离子水。 图1为干凝胶的光学显微照片。由图可知,湿 收稿Et期:2009—05—20 基金项目:陕西省教育厅科研计划基金资助项目(o9JK362);陕西省自然科学基金资助项目(2009JM6o08);陕西科技大学自选科学基金资 助项目(zx08一lO) 作者简介:伍媛婷(1981一),女,江西赣州人,讲师,博士生,主要从事柔版显示器件用二氧化钛纳胶囊的制备与性能的研究。 828 压电与声光 2010焦 凝胶经干燥后发泡,其体积增大几倍,干凝胶是类似 泡沫状的疏松的三维脆性物质。进一步分析可知, 干凝胶是三维多孔的网络结构,孔与孔之间拉成丝 阶段为150 ̄450。C,此过程样品质量损失最大(为 65%),略高于干凝胶中柠檬酸质量分数的理论计算 值,可推断此阶段主要是柠檬酸的降解及硫酸根的 状进行连接。 图1干凝胶的光学显微照片(×400) 2.2 XRD分析 图2为干凝胶在450℃、600℃煅烧后所得粉 体的XRD图谱。由图可知,煅烧温度为450℃时, 衍射峰中2 为3O.26。、35.58。、63.039。处对应于 Fe2O3(7-Fe2O3 39-1346),20为33.24。、35.58。特征 峰对应于a-Fe2O3(a-Fe2O3 33-0664),另外在2 为 20.26。、24.62。、29.66。和32.58。处均出现了吸收峰, 其位置与JCPDS标准粉末衍射卡(Fe O。21—0920) 的衍射峰的位置一致。可以确定450℃煅烧所得样 品为Fe O。,但其晶型组成较复杂。煅烧温度为 600℃时,所有特征峰位置与标准粉末衍射卡(a— Fe 0。33-0664)的衍射峰的位置完全一致,可以确 定样品为口一Fe2O3。 (104) l(1】 O) I 4 .l 。II 6o0℃: 。。 , 2o/(。) 图2不同焙烧温度下Fe O3粉体的XRD图 2.3 TG-DSC分析 图3为前驱体样品的TG—DSC曲线。由图可 看出,在升温过程中存在明显的4个阶段。a阶段 为室温~150℃,此过程样品不存在质量损失,这是 由于干凝胶经130℃干燥过程,排除吸附水及醇;b 热分解引起 州;C阶段为450~520℃,此过程TG 曲线出现10 的失重,与干凝胶中聚乙二醇质量分 数的理论计算值基本一致,即对应聚合物碳链骨架 的降解口叩;当温度高于520℃时,d阶段有一个很宽 的放热峰,结合XRD可知,此时其他Fe。O。晶相转 变为a—Fe O。,相应TG曲线失重较少,说明此晶相 转变过程是一个渐变过程。 .—_} :: ・ :b 一一 a。 皂 旨 ! 、—— ———’ 温度,℃ 图3干凝胶TG-DSC分析曲线 2.4 SEM分析 由图3中TG曲线可看出,高于520℃时粉体 质量基本不变,即实际煅烧温度应高于此温度,以便 排除干凝胶中的所有有机物和a—Fe O。的合成。图 4为经600 oC、720℃煅烧后所得粉体的SEM照 片。由图可知,经600 oC煅烧后所得粉体为30 nm 的球形颗粒,粒径分布均匀,分散性好。经720℃煅 烧后所得粉体仍为球形颗粒,但是当粒径增大至 100 nm,团聚较严重。由此可知,氧化铁颗粒粒 径随煅烧温度的升高而增大。 ’ (a)600℃ (b)720℃ 图4不同煅烧温度下Fe。O。粉体的SEM照片 结合图3分析可知,煅烧温度应高T52o℃,为 得到更小粒径的纳米a—Fe o。粉体,煅烧温度应尽 量靠近520℃,但如果温度太低,则在150~520℃ 第5期 伍媛婷等:纳米氧化铁粉体的溶胶一凝胶法制备 829 区间内应放慢升温速率,特别是150~450。C范围 内,以便排除有机物及硫酸根。 [4]张欣,吕鹏程,许毓春.掺铜氧化铁陶瓷负阻特性的研 究[J].压电与声光,2000,22(2):111-113. ZHANG Xin,LV Pengcheng,XU Yuchun.Investiga— 3 结束语 (1)以硫酸钛为原料,柠檬酸为络合剂及发泡 剂,通过溶胶一凝胶法首先获得疏松的三维网络干凝 胶,进一步煅烧可制备出分散性好的球形纳米 Fe。O。粉体.粒径约为 30 niTl。 (2)结合XRD和TG—DSC得出,在整个煅烧过 tion onnegative resistance characters of Fe2 O3 doped with CuOEJ].Piezoelectrics 8L Acoustooptics,2000,22 (2):111-113. r5]PRITA P S,BHANUDAS N,GHOSH N N.Low tem— perature synthesis of single-phase —Fe2 O3 nano—pow— ders by using simple but novel chemical methods[J]. 程,干凝胶的失重达65 ,煅烧温度必须高于 Powder Technology,2009,192(3):245 249. 520℃,当煅烧温度为450。C时,所得晶体为 r6] DIAMANDESCU L,MIHAILA T D,POPESCU P N, Fe。O。,但晶相较复杂;当煅烧温度为600。C时,可 et a1.Hydrothermal synthesis and characterization of some polycrystalline iron oxides[J].Ceramics Interna— 获得纯a—Fe2O3。 tional,1999,25(50:689—692. (3)对比不同煅烧温度下a—Fe。O。粉体的SEM r7]LIAO X H,ZHU J J,ZHONG W,et a1.A novel tech— 照片得出,煅烧温度为600℃时获得30 nm的球形 nique by the citratepyrolysis for preparation of iron ox— a—Fe o。粉体,粉体分散性好;煅烧温度为720℃时 ide nanopatic1es[J].Mater Lett,2000,77(2):207—209. 获得100 nm大小的粉体,粉体团聚严重。 [8] 张枫,徐庆,陈文,等.BkSr 一 TiO。的EDTA一柠檬酸 参考文献: 法合成与电性能研究[J].压电与声光,2007,29(1): 71—76. r1] ZHANG Z,BOXALI C,KELSALI G H.Photoelee一 ZHANG Feng,XU Qing,CHEN Wen,et a1.EDTA- tro phoresis of colloidal iron oxides 1.hematite(口一 citric Method Synthesis and Electrical Properties of Fe2O3)[J].Colloids Surf A,1993,73:145 163. Ba Sr1一 TiO3[J].Piezoelectrics&Acoustooptics, [2] ZHI X W,YAN Q X,HAI Y L,et a1.Preparation and 2007,29(1):71-76. catalytic activities of LaFe03 and Fe2 O3 for H MX ther— r9] ANDRIANAINARIVELO M,CORRIU R J P,LE- mal decomposition[J].Journal of Hazardous Materi— CLERCQ D,et a1.Nonhydrolytic Sol—Gel process:alu— als,2009,165(1-3):1056—1O61. minum titanate gels[J].Chem Mater,1997,9(5): 1098—1 102. 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