D0I:10.13374/1.issnl00103.2007.s2.039 第29卷增刊2 北京科技大学学报 Vol.29 Suppl.2 2007年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dee.2007 低温合成单分散性的纳米铁粉末 邵慧萍)黄毓强)郭志猛)林涛)郝俊杰)罗骥) 1)北京科技大学材料学院粉末研究所，北京1000832)北京国浩微磁电子智能传感器技术研究所材料研发室，北京100083 摘要采用煤油做试剂、在160~180℃的热分解反应温度下，通过羰基铁的热分解合成单分散性的铁纳米粉末.合成的纳 米铁微粒随着反应初始物羰基铁的浓度从0.296mal/L(加入量3.6mL)增加到0.444mol/L(加入量5.4mL)时，其平均尺寸 从11.2nm减小到8.6nm,而且它们的形状都是球形.合成的纳米铁微粒通过高分辨率的电子显微镜显示出无定形结构，其 表面很容易氧化成尖晶石的四氧化三铁结构 关键词纳米铁微粒：羰基铁；热分解：低温 分类号TG111.92 近几年来纳米尺寸的微粒越来越受到研究者的 被加热后挥发的试剂，反应结束后，可以看出合成 青睐山，特别是磁性纳米粉末，展示出其单轴磁性， 的磁纳米微粒很均匀地分散，从而使溶液形成稳定 广泛应用于磁记录介质2]，同时由于它们拥有比 的磁流体.然后整个系统自然冷却到室温，用辛烷 磁轴尺寸更小的尺寸，磁性纳米微粒在生物磁领域， 和丙酮反复清洗溶液，除去多余的表面活性剂，并用 比如核磁共振，细胞和DNA的分离、药物的输送以 磁铁收集合成的纳米铁粉末，粉末在真空中干燥 及癌症的诊断治疗等方面表现出了应用潜力和价 后，再用震动磁强计、X衍射以及高分辨率电子显微 值[]，铁纳米微粒合成的方法有很多种，比如喷 镜进行分析测定 射法，化学浓缩法，超声波法，及铁盐的热分解法等 等[山.纳米微粒大的表面能以及铁纳米微粒之间 2结果和讨论 的强磁作用使得微粒之间很难形成稳定的流体。因 图1说明了在0.0425mol/L的油酸胺、反应温 此，选择合适的表面活性剂来包覆纳米铁微粒，使之 度为160℃、反应时间为60min情况下，在不同的初 形成稳定的粒子而不发生团聚是非常重要的，本研 始反应物羰基铁浓度0,296mol/L(加入量3.6mL) 究中，在160℃的低温下，油酸胺做表面活性剂，煤 和0.444mol/L(加入量5.4mL)时合成的铁纳米微 油作为溶剂，通过羰基铁的热分解反应合成纳米铁 粒的电镜图.随着羰基铁浓度从0.296mol/L增加 微粒 到0.444mol/L时，其平均粒径从11.2nm减少到 1实验 8.6nm·这意味着浓度越大时，成核的速率大于生 长速率，此时成核的数量很多，但是并没有长大，而 所有的试剂都是分析纯的，羰基铁和油酸胺来 浓度相对较低时(0.296mol/L),成核的速率相对就 自于Aldrich公司，煤油和辛烷来自于Junsei公司. 慢，成核的数量少，生长的速率相对快些，所以最后 具体的实验过程如下：作为试剂的煤油90mL(密 形成的微粒平均尺寸就相对大些.图中测试的微粒 度：0.80g/mL)和作为表面活性剂的油酸胺（密度： 的外表面与内部核之间有明显区别的一层，是样品 0.813g/mL,体积分数70%)混合后放置于一个四 在分析时被氧化所形成的氧化层，这将在后面的高 口的烧瓶中（烧瓶四口分别连接搅拌器，温度控制 倍电子显微镜分析中加以分析，同时，在2种浓度 仪、保护气体及冷却循环水)，加热前l0min,高纯 下合成的铁纳米微粒的形状都是球形，且它们的尺 氮气通入此系统以排除系统内的氧气，然后系统加 寸分布也很均匀，图2说明了在0.296和0.444 热，当加热至反应温度(160~180℃)时，往系统内 mol/L两种反应浓度下合成的铁纳米微粒的磁化曲 注入羰基铁，反应60min,在整个实验过程中，保护 线特性，合成的铁纳米微粒都显示了超顺磁性能， 气体一直通入系统中，循环的冷却水也被用来冷却 而且随着反应浓度从0.296增加到0.444mol/L 收稿日期：2007-09-18 时，其饱和磁化能从18.5减少到11.9kA/m·这与 作者简介：邵慧萍(1973一)，女，讲师，博士 其平均粒径测定结果是一致的，低温合成单分散性的纳米铁粉末 邵慧萍1） 黄毓强2） 郭志猛1） 林 涛1） 郝俊杰1） 罗 骥1） 1） 北京科技大学材料学院粉末研究所‚北京100083 2） 北京国浩微磁电子智能传感器技术研究所材料研发室‚北京100083 摘 要 采用煤油做试剂、在160～180℃的热分解反应温度下‚通过羰基铁的热分解合成单分散性的铁纳米粉末．合成的纳 米铁微粒随着反应初始物羰基铁的浓度从0∙296mol／L（加入量3∙6mL）增加到0∙444mol／L（加入量5∙4mL）时‚其平均尺寸 从11∙2nm 减小到8∙6nm‚而且它们的形状都是球形．合成的纳米铁微粒通过高分辨率的电子显微镜显示出无定形结构‚其 表面很容易氧化成尖晶石的四氧化三铁结构． 关键词 纳米铁微粒；羰基铁；热分解；低温 分类号 TG111∙92 收稿日期：2007-09-18 作者简介：邵慧萍（1973—）‚女‚讲师‚博士 近几年来纳米尺寸的微粒越来越受到研究者的 青睐［1］．特别是磁性纳米粉末‚展示出其单轴磁性‚ 广泛应用于磁记录介质［2—5］‚同时由于它们拥有比 磁轴尺寸更小的尺寸‚磁性纳米微粒在生物磁领域‚ 比如核磁共振、细胞和 DNA 的分离、药物的输送以 及癌症的诊断治疗等方面表现出了应用潜力和价 值［6—8］．铁纳米微粒合成的方法有很多种‚比如喷 射法‚化学浓缩法‚超声波法‚及铁盐的热分解法等 等［9—11］．纳米微粒大的表面能以及铁纳米微粒之间 的强磁作用使得微粒之间很难形成稳定的流体．因 此‚选择合适的表面活性剂来包覆纳米铁微粒‚使之 形成稳定的粒子而不发生团聚是非常重要的．本研 究中‚在160℃的低温下‚油酸胺做表面活性剂‚煤 油作为溶剂‚通过羰基铁的热分解反应合成纳米铁 微粒． 1 实验 所有的试剂都是分析纯的．羰基铁和油酸胺来 自于 Aldrich 公司‚煤油和辛烷来自于 Junsei 公司． 具体的实验过程如下：作为试剂的煤油90mL （密 度：0∙80g／mL）和作为表面活性剂的油酸胺（密度： 0∙813g／mL‚体积分数70％）混合后放置于一个四 口的烧瓶中（烧瓶四口分别连接搅拌器‚温度控制 仪、保护气体及冷却循环水）‚加热前10min‚高纯 氮气通入此系统以排除系统内的氧气．然后系统加 热‚当加热至反应温度（160～180℃）时‚往系统内 注入羰基铁‚反应60min．在整个实验过程中‚保护 气体一直通入系统中‚循环的冷却水也被用来冷却 被加热后挥发的试剂．反应结束后‚可以看出合成 的磁纳米微粒很均匀地分散‚从而使溶液形成稳定 的磁流体．然后整个系统自然冷却到室温‚用辛烷 和丙酮反复清洗溶液‚除去多余的表面活性剂‚并用 磁铁收集合成的纳米铁粉末．粉末在真空中干燥 后‚再用震动磁强计、X 衍射以及高分辨率电子显微 镜进行分析测定． 2 结果和讨论 图1说明了在0∙0425mol／L 的油酸胺、反应温 度为160℃、反应时间为60min 情况下‚在不同的初 始反应物羰基铁浓度0∙296mol／L（加入量3∙6mL） 和0∙444mol／L（加入量5∙4mL）时合成的铁纳米微 粒的电镜图．随着羰基铁浓度从0∙296mol／L 增加 到0∙444mol／L 时‚其平均粒径从11∙2nm 减少到 8∙6nm．这意味着浓度越大时‚成核的速率大于生 长速率‚此时成核的数量很多‚但是并没有长大．而 浓度相对较低时（0∙296mol／L）‚成核的速率相对就 慢‚成核的数量少‚生长的速率相对快些‚所以最后 形成的微粒平均尺寸就相对大些．图中测试的微粒 的外表面与内部核之间有明显区别的一层‚是样品 在分析时被氧化所形成的氧化层‚这将在后面的高 倍电子显微镜分析中加以分析．同时‚在2种浓度 下合成的铁纳米微粒的形状都是球形‚且它们的尺 寸分布也很均匀．图2说明了在0∙296和 0∙444 mol／L 两种反应浓度下合成的铁纳米微粒的磁化曲 线特性．合成的铁纳米微粒都显示了超顺磁性能‚ 而且随着反应浓度从0∙296增加到 0∙444mol／L 时‚其饱和磁化能从18∙5减少到11∙9kA／m．这与 其平均粒径测定结果是一致的． 第29卷 增刊2 2007年 12月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．29Suppl．2 Dec．2007 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2007．s2．059