專利名稱：一種Fe₃O₄納米顆粒的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于納米材料技術(shù)領(lǐng)，特別涉及納米金屬氧化物材料的制備。
背景技術(shù)：
納米材料由于具有特有的小尺寸效應(yīng)、表面特性和多種優(yōu)異的物理、化學(xué)性能，使其具 有廣泛的潛在應(yīng)用前景。Fe304納米顆粒材料是具有特殊的半金屬鐵磁特性、較高的表面活性、 無毒和很好的生物相容性的低成本納米材料，在磁流體、催化劑、高密度垂直磁記錄、造影 劑、靶向藥物、生物技術(shù)、生命科學(xué)與技術(shù)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。同時鐵資源豐富、 成敗低廉，使Fe304納米顆粒材料具有的顯著的實(shí)用價值。因此開發(fā)出能批量、低成本和可控 制備尺寸均勻的Fe304納米磁性顆粒材料的方法具有重要意義。目前Fe304納米顆粒材料主要 采用機(jī)械粉碎法；真空電弧放電法；有機(jī)物法分解法；溶膠一凝膠法；化學(xué)沉淀法和微乳液 法等方法制備。這些制備方法各有特色和優(yōu)點(diǎn)，但也有一些不足，如周期長，或工藝復(fù)雜， 或成本高等問題。故開發(fā)新的Fe304納米磁性顆粒制備方法仍具有很大的吸引力。迄今，尙未 見關(guān)于在非真空條件下、在水介質(zhì)中利用電弧放電法制備Fe304納米磁性顆粒的報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提出一種成本低、操作簡便的Fe304納米磁性顆粒材料的制備方法。 本方法制備所需原材料為工業(yè)純鐵棒，原材料豐富、成本低，本方法還具有設(shè)備簡單、工藝 參數(shù)可控、能連續(xù)批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明的特征在于，是采用電弧放電、純鐵陽極自耗制備Fe304納米顆粒，其特征在于， 是在水介質(zhì)中進(jìn)行制備。
含有以下步驟
1) 將放電電極置于裝有去離子水的容器中，陰極采用石墨棒，陽極采用純鐵棒；
2) 將陰極和陽極分別與直流電源的負(fù)極和正極相連接；
3) 將陰極和陽極移動至能發(fā)生電弧放電的起弧距離，啟動直流電源，使電極開始起弧放電，
合成納米Fe304顆粒； 4)停止電弧放電，收集水中合成的納米顆粒產(chǎn)物。
所述容器中去離子水的高度高于電極20ram。所述直流電源的放電電流為20 120 A，電流 密度約為0.7 4.3A/mm2，放電電壓為16 23V。陰極采用直徑大于等于陽極的石墨棒。
在所述第3)步中，利用步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行陽極供給，使得能夠連續(xù)合成Fe304顆粒。采用自 反饋系統(tǒng)對所述步進(jìn)電機(jī)自動供給陽極的速度進(jìn)行控制；所述自反饋系統(tǒng)含有控制電路和步 進(jìn)電機(jī)控制器；所述陰極和陽極分別用夾持器固定，所述控制電路的檢測信號輸入端分別連 接所述陰極和陽極的夾持器，所述步進(jìn)電機(jī)控制器的控制信號輸入端連接控制電路的輸出端， 步進(jìn)電機(jī)控制器的控制信號輸出端連接所述步進(jìn)電機(jī)的控制信號輸入端。
有益效果，本發(fā)明制備得到的Fe304納米磁性顆粒呈球形、尺寸均勻，具有多種優(yōu)異性能， 達(dá)到了預(yù)期的目的。


圖l是本發(fā)明制備裝置圖2是放電電流為20A ，放電電流密度0.7A/mm2，輸出電壓為6V時的合成產(chǎn)物形貌圖； 圖3是放電電流為60A ，放電電流密度2.1A/mm2，輸出電壓為9V時的合成產(chǎn)物形貌圖； 圖4是放電電流為120A ，放電電流密度4.2A/mm2，輸出電壓16V時的合成產(chǎn)物形貌圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明中合成Fe304納米磁性顆粒的原理是采用工業(yè)純鐵為陽極，采用光譜純石墨棒為 陰極，將電極置于去離子水中，利用電弧放電使鐵棒氣化獲得鐵原子(包括鐵離子)，同時， 在電弧高溫的作用下，將水分解出氫和氧，為合成Fe304納米顆粒提供氧。然后，在合適的工 藝參數(shù)條件下，合成出球形完整、尺寸均勻的Fe304納米磁性顆粒。具體步驟為
1. 設(shè)備裝置如圖1所示，采用直流輸出電源；電弧放電；可通過手動供給或步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行 陽極連續(xù)供給，或采用其它方式供給方式；將放電電極(陰極和陽極)置于容器中，在容器 中加入去離子水，水面高度高于電極20mm以上。
2. 電極材料陰極采用純石墨棒，陰極直徑大于等于陽極直徑；陽極采用工業(yè)純鐵棒。陽極 為消耗材料。
3. 將陰極和陽極分別與直流電源的負(fù)極和正極相連接。
4. 設(shè)置電源的輸出電流和輸出電壓，設(shè)置步進(jìn)電機(jī)的進(jìn)給速度。
5. 啟動電源和步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)，先快速進(jìn)給使電極移動至能發(fā)生電弧放電的起弧距離、并 起弧放電，然后利用控制裝置以合適的速度自動進(jìn)給陽極，保持連續(xù)電弧放電和電弧的穩(wěn)定 性，連續(xù)合成納米Fe304磁性顆粒。
6. 停止電弧放電，收集水中合成的納米顆粒產(chǎn)物。或利用水流將產(chǎn)物帶至產(chǎn)物收集器中收集。
7. 不同工藝參數(shù)，產(chǎn)物的尺寸、幾何形態(tài)、產(chǎn)量均不同。工藝參數(shù)范圍約為供給放電電流
約為20-120 A (電流密度約為0.7~4.3A/mm2);供給放電電壓約為16-23 V。
實(shí)施例1:小尺寸Fe304納米磁性顆粒的合成
采用圖1所示的設(shè)備裝置，陰極電極1的材料為光譜純石墨棒，陽極電極2的材料為工 業(yè)純鐵金屬棒。將兩極置于盛滿去離子水3反應(yīng)容器4中，中心對齊并保持一定的初始距離。 5和6分別為陰極和陽極的夾持器，7為導(dǎo)軌，用于驅(qū)動陽極進(jìn)退。使用直流電源供電，通過 自反饋系統(tǒng)，及時調(diào)整兩極之間的距離，保持穩(wěn)定的輸出電壓和使得陰陽極之間產(chǎn)生穩(wěn)定的 電弧。自反饋系統(tǒng)包括含有控制電路和步進(jìn)電機(jī)控制器；控制電路的檢測信號輸入端分別連 接陰極和陽極的夾持器，步進(jìn)電機(jī)控制器的控制信號輸入端連接控制電路的輸出端，步進(jìn)電 機(jī)控制器的控制信號輸出端連接所述步進(jìn)電機(jī)的控制信號輸入端。步驟如下
1) 將放電電極置于裝有去離子水的容器中，水面高度高于電極約20 mm以上。陰極采 用直徑約為15mm的光譜純石墨棒，直徑約為陽極的2.5倍；陽極采用直徑約為6mm的工業(yè) 純鐵棒。
2) 將陰極和陽極分別與直流電源的負(fù)極和正極相連接；利用步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行陽極供給；
3) 啟動直流電源和步進(jìn)電機(jī)，使電極移動至能發(fā)生電弧放電的起弧距離，開始起弧放 電，并利用步進(jìn)電機(jī)自動進(jìn)給陽極，保持連續(xù)電弧放電和電弧的穩(wěn)定性，連續(xù)合成納米Fe304 磁性顆；電源的輸出參數(shù)設(shè)置放電電流為20A ，放電電流密度0.7A/mm2;輸出電壓 16V。設(shè)置步進(jìn)電機(jī)的進(jìn)給速度，采用自反饋系統(tǒng)，保持步進(jìn)電機(jī)電壓穩(wěn)定。
4) 停止電弧放電，收集水中合成的納米顆粒產(chǎn)物?；蚶盟鲗a(chǎn)物帶至產(chǎn)物收集器 中收集，這樣可是使得制備過程連續(xù)。
帝iJ備得到的Fe304納米顆粒接近球形，尺寸分布范圍約為5—20nm。平均顆粒尺寸約為 10nm。產(chǎn)物基本上是Fe304納米顆粒，但由于電流較低，單位時間的產(chǎn)量較小。圖2所示為放 電電流為20A ，放電電流密度0.7A/mm2，輸出電壓為16V時的合成產(chǎn)物形貌。圖中有上角 插圖為產(chǎn)物的電子衍射花樣，表明產(chǎn)物為Fe304納米顆粒。
實(shí)施例2:平均粒徑約為20 nm的Fe304納米磁性顆粒的合成
其它實(shí)驗(yàn)條件同實(shí)施例l，電源參數(shù)設(shè)置為放電電流為60 A ，放電電流密度2.1
A/mm2;放電電壓19 V。
制備得到的Fe304納米顆粒基本呈球形，顆粒尺寸基本上分布在15—35 nm，平均尺寸約 為20nm。產(chǎn)物中約80X以上為球形Fe3O4納米顆粒，另有少量納米碳膜。產(chǎn)物的飽和磁化強(qiáng) 度約為64.97 emu/g。圖3所示為放電電流為60A ，放電電流密度2.1 A/mm2，輸出電壓為 19V時的合成產(chǎn)物形貌。圖中有上角插圖為產(chǎn)物的電子衍射花樣，表明產(chǎn)物為Fe304納米顆粒。
實(shí)施例3:平均尺寸約為30—40納米的Fe304納米磁性顆粒的合成
其它實(shí)驗(yàn)條件同實(shí)施例l，電源參數(shù)設(shè)置為80A ，放電電流密度2.8A/mm2，輸出電 壓21 V。
制備得到的的Fe304納米顆粒呈球形，尺寸分布范圍為10 — 65 nm，平均尺寸約為30—40nm。
實(shí)施例4:大電流條件下合成的Fe304納米磁性顆粒
其它實(shí)驗(yàn)條件同實(shí)施例l,電源參數(shù)設(shè)置為放電電流為120 A ，放電電流密度4.2 A/mm2;放電電壓16 V。
制備得到的Fe304納米顆?；境是蛐?，顆粒尺寸基本上分布在20—70 nm。產(chǎn)物另有部 分納米線產(chǎn)物。圖4所示為放電電流為120A ，放電電流密度4.2 A/mm2，輸出電壓為16V 時的合成產(chǎn)物形貌。圖中有上角插圖為產(chǎn)物的電子衍射花樣，表明產(chǎn)物為Fe304納米顆粒。
實(shí)施例5:大尺寸Fe304納米磁性顆粒的合成
其它實(shí)驗(yàn)條件同實(shí)施例l，電源參數(shù)設(shè)置為放電電流為60 A ，放電電流密度2.1 A/mm2;放電電壓23 V。
制備得到的Fe304納米顆粒呈不規(guī)則球形，顆粒尺寸基本上分布在30—120 nm。產(chǎn)物中
另有部分納米線產(chǎn)物。
權(quán)利要求
1、一種Fe3O4納米顆粒的制備方法，是采用電弧放電、純鐵陽極自耗制備Fe3O4納米顆粒，其特征在于，是在水介質(zhì)中進(jìn)行制備。
2、 如權(quán)利要求l所述的FeA納米顆粒的制備方法，其特征在于，含有以下步驟1) 將放電電極置于裝有去離子水的容器中，陰極采用石墨棒，陽極采用純鐵棒；2) 將陰極和陽極分別與直流電源的負(fù)極和正極相連接；3) 將陰極和陽極移動至能發(fā)生電弧放電的起弧距離，啟動直流電源，使電極開始起弧放電，合成納米Fe304顆粒；4) 停止電弧放電，收集水中合成的納米顆粒產(chǎn)物。
3、 如權(quán)利要求2所述的FeA納米顆粒的制備方法，其特征在于，所述容器中去離子水的高度 高于電極20mm。
4、 如權(quán)利要求2所述的Fe304納米顆粒的制備方法，其特征在于，所述直流電源的放電電流為 20~120A，電流密度約為0.7 4.3 A/mm2，放電電壓為16 23V。
5、 如權(quán)利要求2所述的Fe304納米顆粒的制備方法，其特征在于，陰極采用直徑大于等于陽極 的石墨棒。
6、 如權(quán)利要求2所述的FeA納米顆粒的制備方法，其特征在于，在所述第3)步中，利用步進(jìn) 電機(jī)進(jìn)行陽極供給，使得能夠連續(xù)合成Fe304顆粒。
7、 如權(quán)利要求6所述的Fe:A納米顆粒的制備方法，其特征在于，采用自反饋系統(tǒng)對所述步進(jìn) 電機(jī)自動供給陽極的速度進(jìn)行控制；所述自反饋系統(tǒng)含有控制電路和步進(jìn)電機(jī)控制器；所述 陰極和陽極分別用夾持器固定，所述控制電路的檢測信號輸入端分別連接所述陰極和陽極的 夾持器，所述步進(jìn)電機(jī)控制器的控制信號輸入端連接控制電路的輸出端，步進(jìn)電機(jī)控制器的 控制信號輸出端連接所述步進(jìn)電機(jī)的控制信號輸入端。
全文摘要
一種Fe₃O₄納米顆粒的制備方法屬于納米材料技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及納米金屬氧化物材料的制備。其特征在于，是采用電弧放電、純鐵陽極自耗制備Fe₃O₄納米顆粒，并且在水介質(zhì)中進(jìn)行制備。本發(fā)明制備得到的Fe₃O₄納米磁性顆粒呈球形、尺寸均勻，具有多種優(yōu)異性能。本方法制備所需原材料為工業(yè)純鐵棒，原材料豐富、成本低，本方法還具有設(shè)備簡單、工藝參數(shù)可控、能連續(xù)批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號C01G49/02GK101100315SQ20071011893
公開日2008年1月9日 申請日期2007年6月15日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月15日
發(fā)明者姚可夫, 范肖凌 申請人:清華大學(xué)