[发明专利]制备磁铁矿Fe3O4纳米粒子材料的方法

说明书

【技术领域】

本发明属于磁性纳米粒子合成领域。更具体的说，涉及铁基纳米粒子，尤其是具有许多重要的技术应用的磁铁矿纳米粒子材料的尺寸控制合成。

【背景技术】

磁铁矿(Fe₃O₄)是具有许多重要应用的三种常见铁氧化物FeO，Fe₂O₃，Fe₃O₄中之一，由于具有均匀可调的磁学性质，Fe₃O₄在磁材料领域有着广泛的应用价值。市场上已知为“铁磁流体”的磁性铁氧化物纳米粒子分散体已经广泛用于例如真空容器的转轴密封，电子仪器的振动阻尼，航空电子技术，机器人技术，机床和驱动系统位置感知等领域。磁铁矿是典型的半金属化材料，其黑色粒子分散体已经用于印刷行业，作为高质量的调色剂或油墨。磁铁矿分散体也用于制造液晶器件，例如彩色显示器，单色光开关和可调波长滤波器等。作为具有高居里温度(858K)的半导体铁氧磁材料，磁铁矿也被应用于隧道器件的制造业中。磁铁矿纳米粒子在生物相关领域的应用发展尤为迅速。特别是应用于临床医学中的磁共振成像，药物传输，临床诊断与治疗，生物分离以及癌症的AC磁场感应激励等。应用于生物领域的磁铁矿纳米粒子一般应具有低于30nm的尺寸，狭窄的尺寸分布，分散性好，超顺磁性，结晶度高的特性。

在现有技术中，制备磁铁矿纳米粒子主要有以下几种方法。通过在球磨机中用表面活性剂和载体溶剂长时间研磨磁铁矿制备磁性流体；利用二价铁(Fe²⁺)和三价铁(Fe³⁺)离子在水溶液中的化学沉淀反应得到超精细磁性氧化物，并且实现水溶液中磁性粒子上表面活性剂的强烈吸附。该方法比研磨方法需要较短的制备时间，并且适合磁性流体的批量生产。但是，必须不断调整溶液的pH值以便确保粒子的形成和稳定；在有机溶剂中高温热分解铁盐的方法制备尺寸分布均匀的磁铁矿纳米粒子近来得到广法的关注；同时还有超声/微波制备法；激光/X—射线衍射法；共聚物模板法；溶胶凝胶法等。但在所有这些技术中，在制备尺寸分布均匀可调，生产成本低，环境友好以及大批量生产方面都不能满足要求，需要亟待解决。

【发明内容】

本发明的目的是克服现有技术中存在的以上不足，提供一种制备磁铁矿Fe₃O₄纳米粒子材料的方法。

本发明提供了一种用于合成Fe₃O₄纳米粒子的方法，该Fe₃O₄纳米粒子具有可控制的粒径和尺寸分布。如图1所示，通过在水中按还原糖或是可水解生成的还原糖的摩尔数与Fe³⁺的摩尔数之比大于1：3加入糖类和铁盐，水量以全部溶解反应物为最低限，用碱(能电离出OH-根离子的碱之一)调节pH值大于4，并将混合物在水热状态自生压力下100℃到300℃晶化2h-4d，开釜为黑色液体，冷却到室温(例如15-30℃)之后，用去离子水或是DMF离心洗涤分离出黑色的磁性纳米粒子，以除去反应后的副产物等杂质，得到纯的Fe₃O₄纳米粒子材料。将该黑色产物分散在溶剂中，可以制备各种溶剂分散的黑色的磁铁矿纳米粒子分散体。

上述铁盐是可水解的三价铁盐之一，如FeCl₃、Fe(NO₃)₃或Fe₂(SO₄)₃之一。

糖类包括还原性糖，或是在铁盐水解后的相应酸条件下可以水解为还原性糖的非还原性糖之一。

所述溶剂包括水，醇，丙酮，烷烃，芳香溶剂，或含氯溶剂之一。

TEM分析表明粒子有较好的分散，尺寸分布均匀。通过改变铁盐与糖类的比例，改变碱的浓度，晶化温度或晶化时间可以控制粒子的尺寸。利用本发明制得了尺寸在4nm到18nm范围内的具有窄尺寸分布的磁铁矿纳米粒子。图6是4nm，9nm，12nm，17nm Fe₃O₄粒子的X射线衍射图形，由图中X射线的的半峰宽，可由Scherrer公式评估平均粒径：

L＝Kλ/βcosθ