本發(fā)明屬于金屬氧化物納米材料技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種四氧化三鐵納米材料及其制備方法。

背景技術(shù)：

四氧化三鐵作為一種過渡金屬氧化物，具有低成本、無毒無污染以及良好的生物相容性等特點，廣泛地應(yīng)用于鋰離子電池、靶向藥物載體、催化劑以及磁共振成像等領(lǐng)域。同時，納米結(jié)構(gòu)材料由于其獨特的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)近年來引起了世界范圍的關(guān)注和廣泛研究。因此，近年來多種方法被報道用來制備納米結(jié)構(gòu)的四氧化三鐵，這些方法包括直接離子共沉淀法、原子層沉積法、水熱法、以及溶膠-凝膠法等。

在這些制備方法中，水熱法制備四氧化三鐵，是研究得較多且較為成熟的一種方法。然而，水熱法制備四氧化三鐵，往往需要特殊的反應(yīng)容器(如水熱釜等)以達(dá)到高溫或高壓的條件。毫無疑問，高溫高壓的反應(yīng)條件要求將會大大地增加實驗流程的復(fù)雜性以及制備成本。另外，眾所周知單晶材料具有較好的電子輸運特性，粗糙的表面形貌可以提供更大的活性表面積；然而，現(xiàn)有方法還不能實現(xiàn)制備出的四氧化三鐵納米材料同時具有良好晶體學(xué)特性和粗糙的表面形貌。

因此采用一種無需高溫煅燒的簡易方法制備出表面粗糙的單晶四氧化三鐵納米材料，在眾多技術(shù)領(lǐng)域有著很大的應(yīng)用和研究價值，在光催化，多相催化，太陽能光伏電池，氣體傳感器，光子晶體和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對上述存在問題或不足，本發(fā)明提供了一種四氧化三鐵納米材料及其制備方法，材料形貌為溝壑狀六邊形，制備方法無需高溫煅燒。

該四氧化三鐵納米材料，形貌為溝壑狀六邊形，邊長120-150納米，厚度20-30納米，材料表面分布有溝壑。

其制備方法，包括以下步驟：

步驟1、采用陽極氧化金屬鐵片的方法，在金屬鐵片基底表面得到無定型態(tài)的氧化鐵納米顆粒薄膜；

步驟2、將步驟1得到的鐵片在醇類或酮類溶劑中浸泡6-24小時，然后在50-100℃的烘箱中烘1-24小時，至烘干；

步驟3、將步驟2所得鐵片放入溫度為50-100℃的水合聯(lián)氨與純水的混合溶液中，水合聯(lián)氨的所占體積比為0–20％，并保溫10-120分鐘；

步驟4、將步驟3所得鐵片從浸泡容器中取出，再用無水乙醇浸泡5-60分鐘，然后放置在空氣中晾干，即可在鐵片基底表面得到晶化的四氧化三鐵薄膜。

本發(fā)明先采用陽極氧化的方法制備無定型態(tài)氧化鐵先驅(qū)物，再通過水合聯(lián)氨與純水的混合溶液在低溫下催化反應(yīng)，使無定型態(tài)氧化鐵轉(zhuǎn)化為四氧化三鐵，即可制得表面溝壑狀的片狀六邊形四氧化三鐵納米材料。本發(fā)明制得的四氧化三鐵納米材料具備表面溝壑狀片狀六邊形形貌，因此同時具備了良好晶體學(xué)特性和粗糙的表面形貌。將會使其在光催化和太陽能光伏器件等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。并且本發(fā)明采用低溫浸泡，具有生產(chǎn)效率高、合成成本低、工藝要求簡單等優(yōu)點。

綜上所述，本發(fā)明方法無需高溫煅燒，簡單可行，且環(huán)保節(jié)能，成本低；制備的四氧化三鐵納米材料同時具有良好晶體學(xué)特性和粗糙的表面形貌，在光催化和太陽能光伏器件等領(lǐng)域具備良好的應(yīng)用前景。

附圖說明

圖1是實施例1中陽極氧化后制備的無定形態(tài)氧化鐵納米顆粒薄膜和最終制得的四氧化三鐵薄膜的XRD圖；

圖2是實施例2中無定形態(tài)氧化鐵納米顆粒和實施例1以及實施例2中最終制得的四氧化三鐵納米片的SEM圖；

圖3是實施例3中最終制得的四氧化三鐵薄膜的XRD圖；

圖4是實施例4中最終制得的四氧化三鐵單晶納米片的TEM和SAED圖；

圖5是實施例5中最終制得的四氧化三鐵薄膜的XRD圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。

實施例1：

步驟1、采用陽極氧化金屬鐵片的方法在鐵基底上得到無定型態(tài)的氧化鐵納米顆粒薄膜，所用電解液為混合了體積分?jǐn)?shù)為3％的純水與質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3％的氟化銨的乙二醇溶液，陽極氧化時間為60分鐘；

步驟2、將步驟1得到的表面具有無定型態(tài)氧化鐵納米顆粒薄膜的鐵片在無水乙醇中浸泡6小時，然后于80℃的烘箱中烘1小時；

步驟3、將步驟2得到的鐵片放入溫度為90℃的水合聯(lián)氨與純水的溶液中，水合聯(lián)氨的體積分?jǐn)?shù)為0％，并保溫5分鐘；

步驟4、將步驟3得到的鐵片從浸泡容器中取出，用無水乙醇浸泡5分鐘，然后放置在空氣中晾干，即可在鐵片基底表面得到表面溝壑狀六邊形四氧化三鐵單晶納米片薄膜。

對步驟1得到的鐵片和步驟4最終得到的表面溝壑狀六邊形四氧化三鐵單晶納米片進(jìn)行XRD測試，其結(jié)果如圖1所示；可以看出步驟1之后的產(chǎn)物除了鐵基底的峰外基本沒有其他的峰，說明其為不定型態(tài)。然而，在溶液中處理后，可以看到除了鐵基底的峰外，四氧化三鐵的峰也明顯得顯現(xiàn)了出來，說明已經(jīng)由不定型態(tài)轉(zhuǎn)化為結(jié)晶的四氧化三鐵態(tài)。

對步驟4最終得到的表面溝壑狀六邊形四氧化三鐵單晶納米片進(jìn)行SEM測試，其結(jié)果如圖2中第三幅圖所示，可以看到分布均勻的納米片，且其表面具有許多溝壑。

實施例2：

步驟1、采用陽極氧化金屬鐵片的方法在鐵基底上得到無定型態(tài)的氧化鐵納米顆粒薄膜，所用電解液為混合了體積分?jǐn)?shù)為3％的純水與質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3％的氟化銨的乙二醇溶液，陽極氧化時間為60分鐘；

步驟2、將步驟1得到表面具有無定型態(tài)氧化鐵納米顆粒薄膜的鐵片在無水乙醇中浸泡16小時，然后于70℃的烘箱中烘5小時；

步驟3、將步驟2得到的鐵片放入溫度為90℃的水合聯(lián)氨與純水的溶液中，水合聯(lián)氨的體積分?jǐn)?shù)為0％，并保溫3分鐘；

步驟4、將步驟3得到的鐵片從浸泡容器中取出，用無水乙醇浸泡60分鐘，然后放置在空氣中晾干，即可在鐵片基底表面得表面溝壑狀六邊形四氧化三鐵單晶納米片薄膜。

對步驟1得到的鐵片和步驟4最終得到的表面溝壑狀六邊形四氧化三鐵進(jìn)行SEM測試，其結(jié)果如圖2中前兩幅圖所示；可以看出，本發(fā)明在低溫下使氧化鐵納米顆粒轉(zhuǎn)化為四氧化三鐵；表面的凹陷使其呈現(xiàn)出溝壑狀六邊形結(jié)構(gòu)。結(jié)合實施例1中的SEM圖，可以看出產(chǎn)物形貌與純水晶化處理的時間有重要關(guān)系。

實施例3：

步驟1、采用陽極氧化金屬鐵片的方法在鐵基底上得到無定型態(tài)的氧化鐵納米顆粒薄膜，所用電解液為混合了體積分?jǐn)?shù)為3％的純水與質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3％的氟化銨的乙二醇溶液，陽極氧化時間為90分鐘；

步驟2、然后，將得到的表面具有無定型態(tài)氧化鐵納米顆粒薄膜的鐵片在無水乙醇中浸泡10小時，然后于80℃的烘箱中烘5小時；

步驟3、將步驟2得到的鐵片放入溫度為90℃的水合聯(lián)氨與純水的溶液中，水合聯(lián)氨的體積分?jǐn)?shù)為10％，并保溫20分鐘；

步驟4、將步驟3得到的鐵片從浸泡容器中取出，用無水乙醇浸泡60分鐘，然后放置在空氣中晾干，即可在鐵片基底表面得到表面溝壑狀六邊形四氧化三鐵單晶納米片薄膜。

對步驟4最終得到的四氧化三鐵進(jìn)行XRD測試，發(fā)現(xiàn)除了鐵基底的峰外，四氧化三鐵的峰很明顯得顯現(xiàn)了出來，證明了成功制備出了四氧化三鐵。

實施例4：

步驟1、采用陽極氧化金屬鐵片的方法在鐵基底上得到無定型態(tài)的氧化鐵納米顆粒薄膜，所用電解液為混合了體積分?jǐn)?shù)為3％的純水與質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3％的氟化銨的乙二醇溶液，陽極氧化時間為60分鐘；

步驟2、將得到的表面具有無定型態(tài)氧化鐵納米顆粒薄膜的鐵片在無水乙醇中浸泡12小時，然后于60℃的烘箱中烘5小時；

步驟3、將步驟2得到的鐵片放入溫度為95℃的水合聯(lián)氨與純水的溶液中，水合聯(lián)氨的體積分?jǐn)?shù)為0％，并保溫5分鐘；

步驟4、將步驟3得到的鐵片從浸泡容器中取出，用無水乙醇浸泡60分鐘，然后放置在空氣中晾干，即可在鐵片基底表面得到表面溝壑狀六邊形四氧化三鐵單晶納米片薄膜。

對步驟4中最終得到的表面溝壑狀六邊形四氧化三鐵進(jìn)行TEM和SAED測試。從TEM圖片中可以看出，本發(fā)明在低溫下成功制備出表面溝壑狀的六邊形四氧化三鐵；結(jié)合SAED圖片可以看出，本發(fā)明在低溫下成功制備出表面溝壑狀的六邊形四氧化三鐵單晶納米材料。

實施例5：

步驟1、采用陽極氧化金屬鐵片的方法在鐵基底上得到無定型態(tài)的氧化鐵納米顆粒薄膜，所用電解液為混合了體積分?jǐn)?shù)為3％的純水與質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3％的氟化銨的乙二醇溶液，陽極氧化時間為90分鐘；

步驟2、將得到的表面具有無定型態(tài)氧化鐵納米顆粒薄膜的鐵片在無水乙醇中浸泡18小時，在80℃的烘箱中烘10小時；

步驟3、將步驟2得到的鐵片放入溫度為95℃的水合聯(lián)氨與純水的溶液中，水合聯(lián)氨的體積分?jǐn)?shù)為20％，并保溫5分鐘；

步驟4、將步驟3得到的鐵片從浸泡容器中取出，用無水乙醇浸泡30分鐘，然后放置在空氣中晾干，即可在鐵片基底表面得到表面溝壑狀六邊形四氧化三鐵單晶納米片薄膜。

對步驟4最終得到的四氧化三鐵進(jìn)行XRD測試，發(fā)現(xiàn)除了鐵基底的峰外，四氧化三鐵的峰很明顯得顯現(xiàn)了出來，證明了成功制備出了四氧化三鐵。

實施例6：

步驟1、采用陽極氧化金屬鐵片的方法在鐵基底上得到無定型態(tài)的氧化鐵納米顆粒薄膜，所用電解液為混合了體積分?jǐn)?shù)為3％的純水與質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3％的氟化銨的乙二醇溶液，陽極氧化時間為120分鐘；

步驟2、將得到的表面具有無定型態(tài)氧化鐵納米顆粒薄膜的鐵片在無水乙醇中浸泡24小時，然后于80℃的烘箱中烘12小時；

步驟3、將步驟2得到的鐵片放入溫度為85℃的水合聯(lián)氨與純水的溶液中，水合聯(lián)氨的體積分?jǐn)?shù)為0％，并保溫30分鐘；

步驟4、將步驟3得到的鐵片從浸泡容器中取出，用無水乙醇浸泡60分鐘，然后放置在空氣中晾干，即可在鐵片基底表面得到表面溝壑狀六邊形四氧化三鐵單晶納米片薄膜。

綜上所述，本發(fā)明能在低溫下有效地轉(zhuǎn)化陽極氧化法制備的無定型態(tài)氧化鐵，制備得到表面溝壑狀的六邊形四氧化三鐵單晶材料。此方法無需高溫煅燒，簡單可行，而且環(huán)保節(jié)能，具有很高的經(jīng)濟(jì)價值。并且制備的四氧化三鐵產(chǎn)物具有獨特的形貌，在光催化和太陽能光伏器件等領(lǐng)域?qū)辛己玫膽?yīng)用前景。