專利名稱:四氧化三鐵納米纖維及其制備方法和用途的制作方法
技術領域:
本發(fā)明涉及一種納米纖維及制備方法和用途,尤其是一種四氧化三鐵(Fe3O4)納米纖維及其制備方法和用途。
背景技術:
眾所周知,四氧化三鐵納米材料在磁性器件、蛋白質分離、藥物盛載與釋放、癌癥早期診斷與治療和磁存儲等方面有著巨大的應用價值。由此,人們?yōu)榱双@得不同形貌和尺寸的四氧化三鐵,作了一些嘗試和努力,如在2005年東北師范大學碩士學位論文中曾介紹的《水熱條件下一維鐵磁性氧化物納米材料的合成》。該文公開了以尿素為沉淀劑均相合成四氧化三鐵納米棒,其中的四氧化三鐵納米棒的直徑為60 70nm,長度為2μπι。但是,無論是四氧化三鐵納米棒,還是其合成方法,均存在著不足之處,首先,納米棒的表面光滑,這種只能由致密結構而形成的光滑表面極大地降低了其比表面積,不利于將其用于吸附或降解有機污染物;其次,合成方法不能合成出具有粗糙表面的四氧化三鐵納米棒。
發(fā)明內容
本發(fā)明要解決的技術問題為克服現有技術中的不足之處,提供一種由四氧化三鐵納米顆粒組成的表面為多孔狀的四氧化三鐵納米纖維。本發(fā)明要解決的另一個技術問題為提供一種上述四氧化三鐵納米纖維的制備方法。本發(fā)明要解決的還有一個技術問題為提供一種上述四氧化三鐵納米纖維的用途。為解決本發(fā)明的技術問題,所采用的技術方案為四氧化三鐵納米纖維由四氧化三鐵組成,特別是,所述四氧化三鐵為纖維狀,所述纖維狀四氧化三鐵由顆粒狀物組成,所述顆粒狀物間帶有介孔;所述四氧化三鐵纖維的直徑為30 200nm、長為10 20 μ m ;所述顆粒狀物的粒徑為5 lOnm,其為四氧化三鐵的單晶體;所述介孔的孔直徑為5 40nm。為解決本發(fā)明的另一個技術問題,所采用的另一個技術方案為上述四氧化三鐵納米纖維的制備方法采用水熱法,特別是完成步驟如下步驟1,先將可溶性鐵鹽、檸檬酸或檸檬酸鹽和水按照重量比為1.2 1.6 1.7 2.1 35 45的比例混合后攪拌均勻,得到混合液,再向混合液中加入明膠, 其中,明膠與混合液中的水之間的重量比為0.2 4 35 45,待明膠完全溶解后得到水溶膠;步驟2,先使用堿溶液調節(jié)水溶膠的pH值至7 8,得到水溶膠前驅體,再將水溶膠前驅體置于密閉狀態(tài),于180 240°C下反應4 72h,制得四氧化三鐵納米纖維。作為四氧化三鐵納米纖維的制備方法的進一步改進,所述的可溶性鐵鹽為氯化鐵,或硝酸鐵,或硫酸亞鐵;所述的檸檬酸鹽為檸檬酸鈉,或檸檬酸銨,或檸檬酸鉀;所述的水為去離子水,或蒸餾水;所述的堿溶液為氫氧化鈉溶液,或氫氧化鉀溶液,或氨水;所述的對制得的四氧化三鐵納米纖維進行超聲清洗、磁分離和干燥的處理;所述的干燥處理為于70 90°C下干燥Mh。為解決本發(fā)明的還有一個技術問題,所采用的還有一個技術方案為上述四氧化三鐵納米纖維的用途為,將四氧化三鐵納米纖維置于含多氯聯(lián)苯(PCBs)、重金屬離子的溶液中,待其吸附多氯聯(lián)苯、重金屬離子后,使用磁鐵將吸附有多氯聯(lián)苯、重金屬離子的四氧化三鐵納米纖維與溶液分離,以去除溶液中的上述污染物。作為四氧化三鐵納米纖維的用途的進一步改進,所述的重金屬離子為鉻離子 (Cr (IV),或汞離子(Hg(II))0相對于現有技術的有益效果是,其一,對制得的產物分別使用掃描電鏡、透射電鏡、X射線衍射儀和超導量子干涉儀進行表征,由其結果可知,產物為纖維狀。纖維狀產物由其間帶有介孔的四氧化三鐵顆粒組裝而成,其中,四氧化三鐵纖維的直徑為30 200nm、 長為10 20 μ m,顆粒為四氧化三鐵的單晶體,其粒徑為5 lOnm,介孔的孔直徑為5 40nm。產物的飽和磁化強度和矯頑力分別高達83emu/g和低至1400e。產物所具有的高比表面積、高飽和磁化強度和低矯頑力將會在多種領域獲得廣泛的應用;其二,將制得的產物置于受多氯聯(lián)苯、重金屬離子污染的溶液中先進行吸附,再利用其對外磁場響應的靈敏性, 來去除溶液中的上述污染物,其去除率高達80%以上,有的甚至接近100% ;其三,制備方法科學、有效,其僅通過在可溶性鐵鹽、檸檬酸或檸檬酸鹽和水的混合液中加入明膠,來使其成為蛋白質高分子模板,就成功地獲得了具有高比表面積、優(yōu)越的磁性能和對液相中的痕量有毒物質有著高效富集特性的多孔四氧化三鐵納米纖維。同時,制備方法還具有普適性, 可以用于制備諸如Mei^e2O4(Me = Zn, Mg,Ca, Sr,Mn) 一維多孔鐵氧體等納米結構材料。作為有益效果的進一步體現,一是可溶性鐵鹽優(yōu)選為氯化鐵,或硝酸鐵,或硫酸亞鐵,檸檬酸鹽優(yōu)選為檸檬酸鈉,或檸檬酸銨,或檸檬酸鉀,堿溶液優(yōu)選為氫氧化鈉溶液,或氫氧化鉀溶液,或氨水,除使可溶性鐵鹽、檸檬酸鹽和堿溶液有較大選擇的余地之外,也使制備工藝更易實施且靈活;二是水優(yōu)選為去離子水,或蒸餾水,避免了雜質的引入,保證了產物的品質;三是優(yōu)選對制得的四氧化三鐵納米纖維進行超聲清洗、磁分離和干燥的處理,干燥處理優(yōu)選為于70 90°C下干燥Mh,去除了產物中的雜質,確保了產物的品質;四是重金屬離子優(yōu)選為鉻離子,或汞離子,此兩種重金屬離子屬常見的污染物,若能對其進行有效地去除,則具有現實的環(huán)保意義。
下面結合附圖對本發(fā)明的優(yōu)選方式作進一步詳細的描述。圖1是對制得的產物分別使用掃描電鏡(SEM)和透射電鏡(TEM)進行表征的結果之一。其中,圖Ia為SEM照片,由其可看到產物為纖維狀,纖維狀產物的直徑為80nm、長約為幾十微米;圖Ib為TEM照片,由其可看出纖維狀產物是由其間帶有介孔的顆粒組裝而成的。圖2是對制得的產物使用X射線衍射(XRD)儀進行表征的結果之一。由XRD譜圖
4中的各衍射峰位置和相對強度可知,產物由面心立方結構的多晶狗304構成。圖3是對制得的產物使用超導量子干涉(SQUID)儀進行表征的結果之一。由其可看出,產物具有很高的飽和磁化強度,其約為SIBemu/g。圖4是將產物置于受污染的溶液中進行吸附處理的結果之一。其中,圖如為將 20mg的產物置于濃度為4 X 10、的IOOmL的多氯聯(lián)苯溶液中進行吸附處理的結果;圖4b為將25 60mg的產物置于濃度為100mg/L的IOOmL的鉻離子溶液中進行吸附處理的結果; 圖如為將0. 25 Ig的產物置于濃度為100mg/L的IOOmL的汞離子溶液中進行吸附處理的結果;由圖如、圖4b和圖如可看出,產物對液相中含有的該三類物質都有很高的吸附效果
具體實施例方式首先從市場購得或用常規(guī)方法制得作為可溶性鐵鹽的氯化鐵、硝酸鐵和硫酸亞鐵;作為檸檬酸鹽的檸檬酸鈉、檸檬酸銨和檸檬酸鉀;作為堿溶液的氫氧化鈉溶液、氫氧化鉀溶液和氨水;作為水的去離子水和蒸餾水。接著,實施例1制備的具體步驟為步驟1,先將可溶性鐵鹽、檸檬酸鹽(或檸檬酸)和水按照重量比為 1.2 2.1 35的比例混合后攪拌均勻;其中,可溶性鐵鹽為氯化鐵,檸檬酸鹽為檸檬酸鈉,水為去離子水,得到混合液。再向混合液中加入明膠,其中,明膠與混合液中的水之間的重量比為0.2 35,待明膠完全溶解后得到水溶膠。 步驟2,先使用堿溶液調節(jié)水溶膠的pH值至7 ;其中,堿溶液為氫氧化鈉溶液,得到水溶膠前驅體。再將水溶膠前驅體置于密閉狀態(tài),于180°C下反應72h,制得近似于圖1所示,以及如圖2和圖3中的曲線所示的四氧化三鐵納米纖維。實施例2制備的具體步驟為步驟1,先將可溶性鐵鹽、檸檬酸鹽(或檸檬酸)和水按照重量比為1. 3 2. 0 38 的比例混合后攪拌均勻;其中,可溶性鐵鹽為氯化鐵,檸檬酸鹽為檸檬酸鈉,水為去離子水, 得到混合液。再向混合液中加入明膠,其中,明膠與混合液中的水之間的重量比為1 38, 待明膠完全溶解后得到水溶膠。步驟2,先使用堿溶液調節(jié)水溶膠的pH值至7. 3 ;其中,堿溶液為氫氧化鈉溶液,得到水溶膠前驅體。再將水溶膠前驅體置于密閉狀態(tài),于195°C下反應55h,制得近似于圖1 所示,以及如圖2和圖3中的曲線所示的四氧化三鐵納米纖維。實施例3制備的具體步驟為步驟1,先將可溶性鐵鹽、檸檬酸鹽(或檸檬酸)和水按照重量比為1.4 1.9 40 的比例混合后攪拌均勻;其中,可溶性鐵鹽為氯化鐵,檸檬酸鹽為檸檬酸鈉,水為去離子水, 得到混合液。再向混合液中加入明膠,其中,明膠與混合液中的水之間的重量比為2 40,待明膠完全溶解后得到水溶膠。步驟2,先使用堿溶液調節(jié)水溶膠的pH值至7. 5 ;其中,堿溶液為氫氧化鈉溶液,得到水溶膠前驅體。再將水溶膠前驅體置于密閉狀態(tài),于210°C下反應38h,制得近似于圖1 所示,以及如圖2和圖3中的曲線所示的四氧化三鐵納米纖維。實施例4制備的具體步驟為步驟1,先將可溶性鐵鹽、檸檬酸鹽(或檸檬酸)和水按照重量比為1.5 1.8 43 的比例混合后攪拌均勻;其中,可溶性鐵鹽為氯化鐵,檸檬酸鹽為檸檬酸鈉,水為去離子水, 得到混合液。再向混合液中加入明膠,其中,明膠與混合液中的水之間的重量比為3 43, 待明膠完全溶解后得到水溶膠。步驟2,先使用堿溶液調節(jié)水溶膠的pH值至7. 8 ;其中,堿溶液為氫氧化鈉溶液,得到水溶膠前驅體。再將水溶膠前驅體置于密閉狀態(tài),于225°C下反應21h,制得如圖1所示, 以及如圖2和圖3中的曲線所示的四氧化三鐵納米纖維。實施例5制備的具體步驟為步驟1,先將可溶性鐵鹽、檸檬酸鹽(或檸檬酸)和水按照重量比為1.6 1.7 45 的比例混合后攪拌均勻;其中,可溶性鐵鹽為氯化鐵,檸檬酸鹽為檸檬酸鈉,水為去離子水, 得到混合液。再向混合液中加入明膠,其中,明膠與混合液中的水之間的重量比為4 45, 待明膠完全溶解后得到水溶膠。步驟2,先使用堿溶液調節(jié)水溶膠的PH值至8 ;其中,堿溶液為氫氧化鈉溶液,得到水溶膠前驅體。再將水溶膠前驅體置于密閉狀態(tài),于對01下反應4h,制得近似于圖1所示,以及如圖2和圖3中的曲線所示的四氧化三鐵納米纖維。若為進一步獲得較高純度和品質的產物,可再對制得的四氧化三鐵納米纖維進行超聲清洗、磁分離和干燥的處理;其中,干燥處理為于70 90°C下干燥Mh。再分別選用作為可溶性鐵鹽的氯化鐵,或硝酸鐵,或硫酸亞鐵;作為檸檬酸鹽的檸檬酸鈉,或檸檬酸銨,或檸檬酸鉀;作為堿溶液的氫氧化鈉溶液,或氫氧化鉀溶液,或氨水; 作為水的去離子水,或蒸餾水,重復上述實施例1 5,同樣制得了如或近似于圖1所示,以及如圖2和圖3中的曲線所示的四氧化三鐵納米纖維。四氧化三鐵納米纖維的用途為先將四氧化三鐵納米纖維置于含多氯聯(lián)苯、重金屬離子的溶液中,其中,重金屬離子為鉻離子,或汞離子,待其吸附多氯聯(lián)苯、重金屬離子后,其吸附處理的結果如或近似于圖4中的曲線所示。再使用磁鐵將吸附有多氯聯(lián)苯、重金屬離子的四氧化三鐵納米纖維與溶液分離,即可去除溶液中的上述污染物。若需重復使用四氧化三鐵納米纖維,則只需利用高溫(350 800°C )熱處理技術, 就可以氧化和去除四氧化三鐵納米纖維表面吸附的多氯聯(lián)苯和重金屬離子。顯然,本領域的技術人員可以對本發(fā)明的四氧化三鐵納米纖維及其制備方法和用途進行各種改動和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣,倘若對本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權利要求及其等同技術的范圍之內,則本發(fā)明也意圖包含這些改動和變型在內。
權利要求
1.一種四氧化三鐵納米纖維,由四氧化三鐵組成,其特征在于所述四氧化三鐵為纖維狀,所述纖維狀四氧化三鐵由顆粒狀物組成,所述顆粒狀物間帶有介孔;所述四氧化三鐵纖維的直徑為30 200nm、長為10 20 μ m ;所述顆粒狀物的粒徑為5 lOnm,其為四氧化三鐵的單晶體;所述介孔的孔直徑為5 40nm。
2.—種權利要求1所述四氧化三鐵納米纖維的制備方法,采用水熱法,其特征在于完成步驟如下步驟1,先將可溶性鐵鹽、檸檬酸或檸檬酸鹽和水按照重量比為1.2 1.6 1.7 2.1 35 45的比例混合后攪拌均勻,得到混合液,再向混合液中加入明膠,其中,明膠與混合液中的水之間的重量比為0.2 4 35 45,待明膠完全溶解后得到水溶膠;步驟2,先使用堿溶液調節(jié)水溶膠的pH值至7 8,得到水溶膠前驅體,再將水溶膠前驅體置于密閉狀態(tài),于180 240°C下反應4 72h,制得四氧化三鐵納米纖維。
3.根據權利要求2所述的四氧化三鐵納米纖維的制備方法,其特征是可溶性鐵鹽為氯化鐵,或硝酸鐵,或硫酸亞鐵。
4.根據權利要求2所述的四氧化三鐵納米纖維的制備方法,其特征是檸檬酸鹽為檸檬酸鈉,或檸檬酸銨,或檸檬酸鉀。
5.根據權利要求2所述的四氧化三鐵納米纖維的制備方法,其特征是水為去離子水, 或蒸餾水。
6.根據權利要求2所述的四氧化三鐵納米纖維的制備方法,其特征是堿溶液為氫氧化鈉溶液,或氫氧化鉀溶液,或氨水。
7.根據權利要求2所述的四氧化三鐵納米纖維的制備方法,其特征是對制得的四氧化三鐵納米纖維進行超聲清洗、磁分離和干燥的處理。
8.根據權利要求7所述的四氧化三鐵納米纖維的制備方法,其特征是干燥處理為于 70 90°C下干燥24h。
9.一種權利要求1所述四氧化三鐵納米纖維的用途,其特征在于將四氧化三鐵納米纖維置于含多氯聯(lián)苯、重金屬離子的溶液中,待其吸附多氯聯(lián)苯、重金屬離子后,使用磁鐵將吸附有多氯聯(lián)苯、重金屬離子的四氧化三鐵納米纖維與溶液分離, 以去除溶液中的上述污染物。
10.根據權利要求9所述的四氧化三鐵納米纖維的用途,其特征是重金屬離子為鉻離子,或汞離子。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種四氧化三鐵納米纖維及其制備方法和用途。纖維由其間帶有介孔的顆粒狀物組成,纖維的直徑為30~200nm、長為10~20μm,顆粒狀物的粒徑為5~10nm,其為四氧化三鐵的單晶體,介孔的孔直徑為5~40nm;方法為先將可溶性鐵鹽、檸檬酸或檸檬酸鹽和水按照重量比為1.2~1.6∶1.7~2.1∶35~45的比例混合均勻,得到混合液,再向混合液中加入明膠,其中,明膠與混合液中的水之間的重量比為0.2~4∶35~45,待明膠溶解后得到水溶膠,然后,先使用堿溶液調節(jié)水溶膠的pH值至7~8,得到水溶膠前驅體,再將水溶膠前驅體置于密閉狀態(tài),于180~240℃下反應4~72h,制得四氧化三鐵納米纖維。產物可作為吸附劑,廣泛地用于去除溶液中的多氯聯(lián)苯和重金屬離子。
文檔編號C02F1/62GK102464357SQ20101053444
公開日2012年5月23日 申請日期2010年11月4日 優(yōu)先權日2010年11月4日
發(fā)明者蔡偉平, 韓成良 申請人:中國科學院合肥物質科學研究院