四氧化三鐵研究小論文

1、四氧化三鐵研究小論文材料科學基礎（1）小組唐新凱鐘昊東楊岳洋武俊男張千一祝健一、四氧化三鐵結(jié)構(gòu)分析為了能夠清楚地了解四氧化三鐵的結(jié)構(gòu)，我們先介紹尖晶石結(jié)構(gòu)。（一）常式尖晶石和反式尖晶石結(jié)構(gòu)我們從原子的密堆積結(jié)構(gòu)出發(fā)進行討論。尖晶石的結(jié)構(gòu)可以看作O2-作立方最密堆積，Mg2+有序的占據(jù)1/8的四面體空隙，Al3+有序的占據(jù)1/2的八面體空隙，剩余的7/8四面體空隙和1/2八面體空隙沒有離子占據(jù)。尖晶石結(jié)構(gòu)如下所示。圖（a）表示這個立方晶胞可以劃分成8個小的立方單位，分別由4個I型和4個II型小單位拼在一起。I和II兩種小單位拼在一起的情況示于圖（b）中。由圖中可以看出，每個小單位都有4個O2-離

2、子，晶胞中O2-的數(shù)目是32（=4X8）個。Mg2+處于I型小單位的中心及其一半的頂點，晶胞中Mg2+的數(shù)目是8（=4X1/4M+1X4）個。Mg2+呈四面體配位，即占據(jù)O2-的密堆積的四面體空隙。每個II型小單位中有4個Al3+,晶胞中Al3+的數(shù)目是16（=4X4）個。Al3+呈八面體配位，即占據(jù)O2一的密堆積中的八面體空隙。根據(jù)正離子占據(jù)空隙位置的不同，可以把組成為AB2O4的化合物分為常式尖晶石和反式尖晶石兩類。為了表明離子占據(jù)的空隙，At表示A離子占據(jù)四面體空隙，Ao表示A離子占據(jù)八面體空隙。在常式尖晶石中，八面體空隙由三價正離子占據(jù)，四面體空隙由二價正離子占據(jù)。但在反式尖晶石中，四

3、面體空隙由三價正離子占據(jù)，而部分八面體空隙則由二價正離子占據(jù)。我們再從投影的角度來看尖晶石的結(jié)構(gòu)。圖示出尖晶石的晶體結(jié)構(gòu)，晶胞分成8份。MgO4四面體和AlO6八面體交替地排列,所以每個O2-都為1個四面體和3個八面體所共有。（二）四氧化三鐵（Fe3O4）的結(jié)構(gòu)Fe3O4是一種混合價態(tài)（Fe（II）/Fe（III）氧化物。它可以由鐵在氧氣中加熱，或者是將水蒸氣通過赤熱的鐵，或由FeO部分氧化，或由Fe2O3加熱到1673K以制得。它具有反式尖晶石結(jié)構(gòu)。尖晶石結(jié)構(gòu)的通式是MiiM2IIIO4,屬于立方晶系。反尖晶石Fe3O4的結(jié)構(gòu)式可表示FeIIItFeIIFeIIIoO4°晶體由O2

4、-的立方最密堆積所構(gòu)成，F(xiàn)e3+的一半占據(jù)四面體空隙，而全部的Fe2+和另一半Fe3+則分布在八面體空隙的位置上，平均Fe2+和Fe3+各占一半。二、四氧化三鐵塊狀與納米級顆粒性質(zhì)差異分析由于科學研究的熱點主要集中在納米級四氧化三鐵顆粒的制備與性質(zhì)，所以我們可以把題目理解為四氧化三鐵粒徑對于顆粒性質(zhì)的影響，著重分析納米級顆粒的優(yōu)勢。（一）四氧化三鐵的性質(zhì)及粒徑對顆粒性質(zhì)的影響4黑色的Fe3O4是鐵的一種混合價態(tài)氧化物，熔點為1597C,密度為5.17g/cm3,不溶于水，可溶于酸溶液，在自然界中以磁鐵礦的形態(tài)出現(xiàn)，常溫時具有強的亞磁鐵性與頗高的導電率。鐵磁性和亞鐵磁性物質(zhì)在Curie溫度以上發(fā)

5、生二級相變轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾判晕镔|(zhì)。Fe3O4的Curie溫度為585C。（順磁性：原子或分子中有未成對電子存在，存在永久磁矩，但磁矩間無相互作用。）此處著重討論Fe3O4的電磁性質(zhì)。四氧化三鐵晶胞中的A位置全部被Fe3+占有，而B位置卻被Fe2+和Fe3+平均占有，雖然Fe2+和Fe3+兩種離子的排序表面上看是雜亂無章的，但是電子卻是可以在Fe2+和Fe3+之間來回跳動的。正是由于電子能夠在鄰近的Fe2+和Fe3+離子之間來回快速的跳躍，因此Fe3O4具有良好的導電性和強磁性，成為了一種廣泛應用的電磁材料。1、電學性質(zhì)四氧化三鐵在常溫下表現(xiàn)出良好的導電性，但導電性受四氧化三鐵粒徑的影響。隨著四氧化三

6、鐵粒徑的減小，相鄰原子之間的距離縮小，自由電子的躍遷機會增加，導電率下降。2、磁學性質(zhì)納米四氧化三鐵特殊的磁性表現(xiàn)為高的矯頑力或者超順磁性。隨著四氧化三鐵粒徑的減小，其磁性由多重磁區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)閱我淮艆^(qū)，當四氧化三鐵的粒徑小于其臨界尺寸時，則具有超順磁性，當四氧化三鐵的粒徑在70nm時具有高矯頑力，具有單疇，當其粒徑小于13nm時,矯頑力接近于0,表示此時的四氧化三鐵具有超順磁性。由于納米級Fe3O4的優(yōu)良性質(zhì)，2013來，有關納米Fe3O4制備的文獻大量涌現(xiàn)，一些新型的制備工藝也不斷出現(xiàn)。（二）（尖晶石型）納米Fe3O4的表征特性與分析：1 .熱重和差熱分析Jo-(占8MOc-l-iFEH200口

7、口口SOO800TeniperaturefC)圖1納米Fe3O4的TG-DTA表征圖可以看到，熱重曲線出現(xiàn)兩個拐點，分別在280c與440c處。在280c處的失重率為6.3%,在440c的失重率為8%?？梢酝茢喑觯瑥氖覝亻_始至280c左右，熱重曲線逐漸降低，是由于樣品失水導致樣品質(zhì)量逐漸減少造成的，這主要包括樣品中物理吸附水與化學吸附水的失去，失水的過程對應DTA圖上100c及C左右的吸熱峰；230-440C之間的失重過程是由于Fe3O4向rFe2O3的轉(zhuǎn)變造成的，在此過程中，F(xiàn)e3O4在空氣中逐漸被氧化，發(fā)生緩慢的化學反應生成了丫-Fe2O3,對應DTA圖的放熱峰不是特別明顯；樣品在440c

8、時至ij達失重平臺，是丫-Fe2O3發(fā)生相變轉(zhuǎn)化成a-Fe2O3造成的，對應DTA曲線510c左右的放熱峰。上面的相變溫度與文獻報道的Fe3O4、rFe2O3和a-Fe2O3之間的轉(zhuǎn)變溫度是一致的。2 .在不同溫度下的XRD表征圖1020304050607020/0圖2納米Fe3O4的XRD圖（A）室溫（B）300C（C）500C圖2是合成的納米Fe3O4在室溫以及300C、500c熱處理3h后測定的XRD圖，可以看出,圖A和B類似，這是因為Fe3O4和rFe2O3的X射線衍射峰基本一致，只有晶格參數(shù)稍有不同，因此X射線衍射的結(jié)果非常相似。根據(jù)參考文獻可以確定A為Fe3O4,B為rFe2O3.

9、3 .透射電鏡分析圖3鐵氧體納米粒子的TEM照片由圖可以看出，鐵氧體的徑粒在20nm左右，但是由于粒子具有磁性，出現(xiàn)了非常嚴重的團聚現(xiàn)象。4 .氮氣吸附托脫附分析100&/<J<J)<lJErLoFl401.0D"0.0020.40.60.SRelativePi'essure(P/Pi;)圖4鐵氧體納米粒子的氮氣附托脫附分析圖結(jié)果表明，納米鐵氧體的比表面積是96m2/g,孔徑大小20.5nm,孔容0.1283m3/g.5 .紅外光譜分析4000350030002500200015001000500Wavenumber(cm-1)圖5納米鐵氧體的紅外光

10、譜圖譜圖中3500cm-1和1620cm-1左右的吸收峰為樣品中吸收的水的伸縮振動和彎曲振動產(chǎn)生。12L-o.0015-o.001-0,0。050500050,0010.0015圖6尖晶石結(jié)構(gòu)鐵氧體納米粒子的酸堿滴定Ht-pH圖可以看出，空白溶液在pH=4至ijpH=10之間沒有緩沖。納米Fe3O4粒子有強烈的緩沖能力,在pH=3至5和pH=8至10.5緩沖能力最大。三、四氧化三鐵的應用(一)Fe3O4磁性納米顆粒在水處理領域的應用舉例原理：與傳統(tǒng)的水處理材料相比，磁性納米顆粒具有很強的磁性、在水中具有良好的分散性、較好的生物相容性、并且具有可調(diào)的外殼。納米顆粒由于比表面積大和小尺寸效應，具有

11、較高的吸附能力，能迅速達到吸附平衡，一般的納米顆粒容易團聚而對水體造成二次污染，但Fe3O4納米顆粒因其具有磁性，能夠在外磁場作用下較快地從水分離出來，使Fe3O4磁性納米顆粒在水處理領域有較強的應用優(yōu)勢。1） GuptaV.K.等將碳納米管與Fe3O4結(jié)合制備出磁性吸附劑(MWCNTs/Fe3O4),對Cr的吸附效率可達到90%以上，而單純的碳納米管只有50%左右。Cr在碳納米管表面和Fe3O4后，吸附劑可以很容易地Fe3O4納米顆粒中的氧原子上均有吸附位點，并且加入從水中分離出來。2） LiJie等用溶劑熱法將石墨烯氧化物與Fe3O4結(jié)合制備出GO/Fe3O4納米顆粒，并將其用于水中Cu2

12、+和腐植酸的去除。3） HuangYanfang等用共沉淀法制備Fe3O4納米顆粒，并在Fe3O4表面進行氨基功能化將其用于去除水中細菌，對包括革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌在內(nèi)的8種細菌都有很高的去除效率，達到95%以上。（二）Fe3O4磁性納米顆粒在醫(yī)療領域的應用舉例1）MRI造影劑原理：Fe3O4磁性納米顆粒的納米尺寸使它在溶液中的分散性好，能有效地被活體組織吸收，通過比較不同組織部位的響應信號的差別，能夠定位病灶位置。如Feng等利用殼聚糖-聚丙烯酸作模板劑制得了35nm的Fe3O4納米晶，將其超聲分散于去離子水中制備造影劑，并注入活兔體內(nèi)，MRI實驗表明該納米晶在淋巴結(jié)T2-加權(quán)成像中有

13、明顯的磁響應增強信號。2）靶向給藥載體原理：將Fe3O4磁性納米顆粒與藥物粒子結(jié)合，利用其磁性可通過外加磁場作用使藥物直達病灶。Alexiou等用淀粉裹覆超順磁性Fe3O4納米顆粒，并負載米托慈醍制得磁性藥物顆粒，并將其投放到新西蘭白兔肢體的VX2-鱗狀癌變細胞，經(jīng)過大約35d的治療成功地消除了該癌變細胞。3）熱療載體從而原理：熱療是利用超順磁性Fe3O4納米晶能有效將磁場振動能轉(zhuǎn)化為熱能這一特點,升高腫瘤組織的溫度來殺死病變細胞。Jordan等利用AC磁場成功實現(xiàn)了癌細胞的離體選擇性遙控滅活，使得熱療法治療癌癥成為可能，最近的生物醫(yī)學研究也證實了這種療法的可行性，并已進行了臨床實驗。參考文獻：1麥松威，周公度，李偉基：高等無機結(jié)構(gòu)化學（第2版）.北京大學出版社.2北京師范大學，華中師范大學，南京師范大學無機化學教研室：無機化學（第四版）高等教育出版社.3武漢大學，吉林大學等：無機化學（第三版）.高等教育出版社.4程建輝.可控粒徑與形貌Fe_3O_4的制備及性能研究D.河北師范大學,2011.5尖晶石結(jié)構(gòu)鐵氧體納米粒子及其復合材料性質(zhì)的研究濟南大學張隆基，孫中溪碩士學位論文2010.56多功能磁性氧化鐵納米粒子的應用研究蘭州大學ZiaurRahman,陳國興研究生學位論文2013.6