納米氧化鐵的制備和表征

納米氧化鐵的制備和表征北京師范大學化學學院小灰(081015xxxx)指導教師司書峰摘要：通過控制pH值，緩慢水解FeCl3合成納米Fe2O3，對其物相進行XRD和TEM表征，并作氣敏性質的測試。XRD和TEM顯示制得的粒子為橢球形a-Fe2O3，粒徑約為28nm，且分散性好。粒子對乙醇、丙酮和90#汽油都有響應，且隨氣體濃度增加，氣敏阻值線性降低。關鍵詞：納米Fe2O3；XRD；SEM；氣敏性質PreparationandcharacterizationofIronOxideNanoparticlesAbstract：Ironoxidenanoparticleswerepreparedbyasolutionphasecontrolledhydrolysismethod,andwerecharacterizedbyXRDandSEMtechniques.Itsgas-sensitivitywasalsotestedlater.XRDandSEMresultsshowthatellipsoidalalphaironoxideparticleswithanaverageparticlesizeofabout28nmwereobtainedthroughourmethod.Andtheseparticlesshowsensitivitytoacetone,ethanolandgasolinewithalineardependenceonthegasconcentration.Keywords:Fe2O3Nanoparticles;XRD;SEM;Gas-sensitivity介紹氧化鐵系列化合物，按其價態(tài)、晶型和結構之不同可分為(",^)-Fe2O3、(",g)-FeOOH、Fe3O4、FeOE。隨著科學研究的不斷深入，納米氧化鐵的優(yōu)異性能在磁性材料、透明顏料、生物醫(yī)學、催化劑及其他方面的應用愈來愈受人們的重視和青睞［2］。其催化特性的一個重要應用就是用作氣敏材料。FeO的兩種變體：a-FeO和y-FeO都可以作為氣敏材料，兩者23 23 23 ，的氣敏性能卻有著巨大的差異。Y-Fe2O3屬于尖晶石型結構，類似Fe2O4處于亞穩(wěn)態(tài)，在氣敏過程中鐵離子在Fe3+和Fe2+之間相互轉化，從而引起材料電導率的變化，其氣敏機理主要為體電阻控制型。a-Fe2O3屬于剛玉晶型、三角晶系，結構比較穩(wěn)定其氣敏機理為表面控制型⑶。納米a-Fe2O3表面有配位不飽和的鐵原子，可以吸附氧氣，并使氧氣分子活化，300°C以上可作為催化劑氧化還原性氣體。同時表面吸附的氧分子電負性強，它奪取納米顆粒表面層的電子，使晶粒內(nèi)部自由電子數(shù)目減少，即使材料的電導率降低。當還原性氣體通過其表面時，表面上活化的氧氣分子與還原性氣體反應而釋放出電子回到晶粒內(nèi)部，使材料的電導率增大，即對還原性氣體產(chǎn)生響應。納米氧化鐵氣敏材料具有選擇性好、高溫下熱穩(wěn)定性好、對環(huán)境濕度的變化不敏感和催化性能較好的優(yōu)點囹。雖然通常情況下電阻比常用氣敏材料，如SnO2、ZnO大的多，但可通過摻雜予以克服囪。目前，納米氧化鐵制備方法大體上分為干法和濕法兩種。而濕法中的均勻沉淀法由于制備工藝簡單，成本低，顆粒均勻而被廣泛采用回。實驗部分2.1主要儀器BDX-3000X射線粉末衍射儀(北京大學儀器廠)；日立S-4800型高分辨場發(fā)射掃描電鏡；

HW-30型氣敏儀（河南漢威科技有限公司）。2.2主要試劑FeCl3-6H2O,濃鹽酸，氨水，無水乙醇等均為市售分析純產(chǎn)品，未經(jīng)提純直接使用。90#汽油由加油站購得。2.3納米氧化鐵的制備稱取3.3gFeCl3-6H2O，用去離子水配成0.05mol/L溶液，并用鹽酸將pH值調(diào)為2左右。水浴加熱，以約10°C/h的速率升至80°C，再恒溫2h。室溫靜置一晝夜后，撇去上清液，滴加氨水至剛出現(xiàn)大量沉淀，用去離子水洗滌數(shù)次進行離心分離。將得到的固體在110C烘箱中烘干。干燥后的粉末研磨后轉入馬弗爐，在350C煅燒3h即得到納米Fe2O3。2.4氣敏原件的制作取適量樣品研磨后加硅酸四乙酯拌勻，均勻涂覆于微型氣敏測試用三氧化二鋁中空套管上元件上，320C煅燒24h。2.5粒子的表征2.5.1XRD分析稱取0.2g納米氧化鐵粉末，充分研磨后轉入樣品槽。在20為10?70°范圍內(nèi)收集數(shù)據(jù)，所用射線為銅靶Ka射線，波長為0.152nm。晶粒大小用Scherrel公式進行計算D=K人/Byfos9D是沿晶面垂直方向的厚度，K為常數(shù)，一般取0.89,入為X射線波長，B1/2為衍射峰半高寬，0為布拉格衍射角。2.5.2SEM形貌分析對氧化鐵納米粒子的形貌進行直接觀察。分析前需對樣品作噴金處理以增加導電性。2.6氣敏性質測試[7]把氣敏元件插在HW-30氣敏儀上，分別通入汽油，丙酮，乙醇，測得不同氣體濃度下負載電阻上的電壓值。測試氣氛采用靜態(tài)配氣法，即用針筒抽取一定量被測物注入到氣敏儀的氣化板上。每種被測物的體積分別取50、100、150應。HW-30型氣敏儀工作電路氣敏電阻計算公式為HW-30型氣敏儀工作電路r=[Vc*R1/Vout]-R1Vout為所測電壓值，Vc插板電阻回路電源電壓，負載電阻R1=4.7MQ3.結果分析3.1粒子的表征本實驗所用方法合成納米Fe2O3主要涉及兩個反應過程：水解：Fe3++2H2O=FeOOH+3H+煅燒：2FeOOH=Fe2O3+H2O因而影響粒子晶型及顆粒大小的因素有水解速率（pH值，溫度）、水解時間、煅燒溫度及時間。

對粒子的XRD分析如圖1所示。將XRD所得譜圖的幾個衍射峰數(shù)據(jù)與a-Fe2O3的標準衍射峰數(shù)據(jù)進行比較（表1）。圖譜中的主要衍射峰，除樣品槽中雜質鋁產(chǎn)生的20為14.06°和17.06°的兩個弱峰之外，其余均歸屬于a-Fe2O3，表明所制得的納米氧化鐵為a型。最強峰20=33.97°，其積分半高寬度B1/2=0.29,利用Scherrer公式計算得到產(chǎn)物的平均粒徑d=27.96nm。由粒子的SEM圖可直接觀察到所制得的a-Fe2O3外觀呈規(guī)則的橢球形顆粒狀，顆粒直徑均值在80nm左右，約為XRD所得粒徑的3倍。粒徑不一致的原因除電鏡觀察到的是幾個晶粒的聚集體外，還包括Fe2O3分子軌道中單占電子使XRD所得數(shù)值偏低的因素。從低分辨的圖中還可看出制得的粒子粒徑比較均勻，分散比較好，無明顯團聚現(xiàn)象。1100_1000-900-1100_1000-900-800-700-600-500-400-300-10 20 30 40 50 60 70i3kV41irniii70.0kSE'i表1產(chǎn)物XRD譜的主要峰與a-Fe2Oi3kV41irniii70.0kSE'i表1產(chǎn)物XRD譜的主要峰與a-Fe2O3標準數(shù)據(jù)（Jade5.0XRD軟件，PDF#39-0238）的對比圖2a-Fe2O3的SEM圖標準23.9833.0035.4840.8049.3053.9062.3063.9320/° 數(shù)據(jù)實驗23.15632.97635.69940.68149.38253.31062.39864.127值3.2氣敏性質1.6-1.20.81.6-1.20.80.4-a-ethanolb-actecne 150cethanolvolume(pL)用合成出的納米“Fe2O3制成的氣敏原件對不同濃度的丙酮、乙醇和90#汽油三種測試氣體的氣敏響應曲線如圖3所示。2.00.0-0 200 400 600 800 1000 1200

time(s)圖3氣敏原件對不同濃度測試氣體(a)乙醇；(b)丙酮；(c)90#汽油的響應曲線由電壓值計算出氣敏原件對三種測試氣體在不同濃度時的氣敏阻值，列于表2。作出氣敏阻值R-被測物體積曲線如圖4所示。 體積/應50100150丙酮35.529.925.0乙醇 /MQ30.126.624.090#汽油161154147表2氣敏原件不同條件下的氣敏電阻36-34-Equationy-a+b*xAdi.R-Square36-34-Equationy-a+b*xAdi.R-Square0.99704ValueStandardErrorbInterceot40.633330.436534b Slope -0105 00040432-28-26-24十50100150acetonevolume(nL)40 60 80 100 120 140 160gasolinevolume（/）20864208640 60 80 100 120 140 160gasolinevolume（/）208642086665555544圖4氣敏阻值R對不同體積的（a）乙醇；（b）丙酮；（c）90#汽油響應曲線由此可見，納米?-Fe2G3對乙醇、丙酮和90#汽油三種氣體均有響應，且隨著氣體濃度的增加，氣敏阻值線性降低。從圖3中還可看出，合成出的納米a-Fe2G3對乙醇的響應性能略好于丙酮，但對90#汽油的響應性能則比前兩者差許多，不僅響應時間上有所延遲（約200s），氣敏阻值的降低也不顯著。造成這種差別的原因可能源自于分子結構上的差異。汽油的主要成分是C4?C12的脂肪烴和環(huán)烴類，性質比較穩(wěn)定，而乙醇和丙酮中均含活性較高的雜原子G，反應活性較高。故汽油氧化所需活化能遠大于乙醇和丙酮氧化所需活化能，致使反應速率顯著降低，表現(xiàn)出較差的氣敏性能。4.結語用控制pH值緩慢水解FeCl3的方法可以合成出分散性好、均勻度高的，粒徑在75nm左右的橢球形納米a-Fe2G3粒子。由合成出的粒子制成的氣敏原件對丙酮、乙醇和90#汽油的氣體均有響應。在測試氣體濃度范圍內(nèi)，氣敏阻值的降低與氣體濃度有近似的線性關系。參考文獻歐延，邱曉濱，許宗祥，林敬東，廖代偉?均勻沉淀法合成納米氧化鐵[J].廈門大學學報(自然科學版)，2004，43(6)：882-885.程敬泉，高政，馬惠卿，段曉旭，張美月.納米氧化鐵的制備及其應用[J].衡水學院學報，2008,10(1)：41-44.姜斌，張呂鴻，陳靄蕃，羅瑞賢，李志遠.納米氧化鐵的制備及其摻雜效應[J].化學工業(yè)與工程，2003，20(6)：498-502.申秀民.化學綜合實驗[M].北京：北京師范大學出版社，2007.43-47.司書峰，楊松林，延璽.Al摻雜o-Fe2O3材料的制備、表征和氣敏特性[J].高等學?；瘜W學報，2007，28(11)：2035-2039.繆應菊，劉濰涓，劉剛，王亞明.納米氧化鐵的制備工藝綜述[J].材料開發(fā)與應用，2009：71-76.馮祖勇.Fe2O3基氣敏