[发明专利]一种超声辅助水热合成水溶性方形铁酸盐磁性纳米材料的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种方形铁酸盐磁性纳米颗粒的合成方法，属于无机材料制备工艺领域。

背景技术

磁性材料是用途广泛的功能材料，纳米磁性材料是20世纪70年代后逐步产生、发展、壮大而成为最富有生命力与宽广应用前景的新型磁性材料，已被广泛应用于导电磁性器件、磁流体、生物医药、催化剂载体等各个领域。例如，磁记录材料至今仍是信息工业的主体，磁记录工业的产值约1000亿美元；磁性液体用于磁盘驱动器的防尘密封、高真空旋转密封等，以及扬声器、阻尼器件、磁印刷等方面。纳米磁性材料的特性之所以不同于常规的磁性材料，是因为与磁性相关的特征物理长度恰好处于纳米量级。例如，磁单畴尺寸、超顺磁性临界尺寸、交换作用长度，以及电子平均自由程等大致处于1～100nm量级。当磁性体的尺寸与这些特征物理长度相当时，就会呈现反常的磁学性质。纳米微晶金属软磁材料具有高磁导率、低损耗、高饱和磁化强度等优异的性能。20世纪70年代，Mofday等用荧光染料标记磁性复合微球，然后与抗体或外源凝集素偶联，最终实现了血红细胞和B淋巴细胞的选择性磁场分离。磁性分离技术不仅可用于细胞的分离，还可用于蛋白的提纯及核酸、DNA等生物分子的分离、环境污染物的分离和分析等方面。因此，研究新型的铁酸盐磁性纳米颗粒的合成和性质的研究就有重要的实际应用价值，成为材料研究领域的热点。

目前，合成尖晶石型铁酸盐的方法有多种，包括机械球磨法、水热法、微乳液法、超声沉淀法、水解法和高温溶剂热法等几种，而所合成的尖晶石型铁酸盐的种类也很广泛，如四氧化三铁、铁酸锰、铁酸钴、铁酸镁等。但是，这些方法在合成过程中存在一些问题，例如机械球磨法制备纳米材料(NanoStructured Materials，12卷，143页，1999年)的重现性好、操作简单，但生产周期长，颗粒细化难以达到纳米级要求。采用微乳液法制备Fe₃O₄，可有效避免颗粒之间发生团聚，因而得到的纳米粉体的粒径分布窄、形态规则、分散性能好，但是其成本偏高。水热过程可以制得磁性能和纯度较高的Fe₃O₄颗粒，但是对由于需要高温高压，因此设备的要求较高。Sun等人在《美国化学会会志》(Journal of American Chemical Society，124卷，8204页，2002年)报道了采用溶剂热高温合成历经可控的磁性纳米Fe₃O₄，该方法合成的Fe₃O₄粒径可控，分不均匀，但是合成温度和原料成本较高，且离子的水溶性差，大规模工业化生产。开发一种成本低、尺寸可控性好，形貌均一，在水中分散性好，易于批量生产的铁酸盐磁性纳米材料是化工科技领域面临的一项挑战。

发明内容

本发明的目的是提供一种方形尖晶石型水溶性铁酸盐磁性纳米颗粒的合成方法，该方法采用廉价易得的原料，利用微波辅助水热合成技术，大量的合成系列的铁酸盐磁性纳米微粒，合成了一系列的具有超顺磁性的方形水溶性磁性纳米材料。由于该方法易于放大，调控简单，产品性能优异，可控性强，将在磁流体、医药载体、水处理、环境污染物分析、催化等领域拥有广阔的市场前景。

本发明的技术方案如下：

一种微波合成尖晶石型铁酸盐化合物纳米颗粒的方法，其特征在于该方法按如下步骤进行。

1.一种合成方形Fe₃O₄磁性纳米颗粒的方法，其特征在于该方法按如下步骤进行：

1)将可溶性三价铁离子盐和可溶性二价铁离子盐加入到去离子水中，在超声的辅助作用下配成三价铁离子为0.5～1mol L^-1的澄清溶液，在超声作用下溶解后缓慢向其中滴加氢氧化钠的溶液，在30～50℃反应1～1.5h控制最终溶液的pH＝10～12，整个过程需要通入氮气作为保护气。将溶液放入密闭加热容器中105～150℃条件下进行水热反应，加热时间5～24h；所述的可溶性三价铁离子盐为：氯化铁、硝酸铁，所述的二价金属离子为锰、铜、镁、钙、锌、钡或铁，其可溶性盐为氯化物盐、硝酸盐。二价金属离子的摩尔总量与三价铁离子摩尔量的比例为1∶2。

2)将步骤1)中所得产物用磁分离技术分离后用去离子水和乙醇的混合液洗涤，在60～80℃烘干，得到方形水溶性四氧化三铁磁性纳米颗粒。

上述反应以化学方程式表示如下步骤进行：