磁性纳米材料的研究进展样本.docx

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磁性纳米材料的研究进展样本

磁性纳米材料研究进展

Progressofmagneticnanoparticles

李恒谦﹡贾雪珂李艳周康佳

（合肥工业大学，安徽宣城）

（HefeiUniversityofTechnology，Xuancheng，Anhui，China）

摘要：

纳米技术是近年来发展起来一种覆盖面极广、多学科交叉科学领域。

而磁性纳米材料因其优秀磁学性能，也逐渐发挥出越来越大作用。

随着科学工作者在制备、应用领域拓展逐渐进一步，也使得纳米材料外形、尺寸控制日趋完善。

因而，磁性纳米材料在机械、电子、化学和生物学等领域有着广泛应用前景。

文章综述磁性纳米材料制备办法、性能及其近年来在不同领域应用状况。

核心词：

磁性；纳米；制备；性能；应用

Abstract：

Nanotechnologyisdevelopedinrecentyearsasakindofsciencewithwidecoverageandmultidisciplinary.Magneticnanoparticlesalsoplayanincreasingroleduetoitsexcellentmagneticproperties．Asscientistsresearchtakethemdeeperalongtheaspectsofsynthesisandapplication．thecontrolofshapeanddimensionsofmagneticnanoparticleshasbecomemoremature．Therefore，magneticnanoparticleshavewideapplicationpropectsinmachinery，electronics，chemistry，biology，etc.Inthispaper，thesynthesismethodisdiscussed，thecharacterismentionedandtheapplicationofmagneticnanoparticlesissummarized．

Keywords：

magnetic；nanoparticles；synthesis；character；application

1.引言

磁性纳米材料特性不同于常规磁性材料，其因素是关联于与磁有关特性物理长度正好处在纳米量级，例如：

磁单畴尺寸，超顺磁性临界尺寸，互换作用长度，以及电子平均自由路程等大体处在1-100nm量级，当磁性体尺寸与这些特性物理长度相称时，就会呈现反常磁学性质。

纳米表征技术是高新材料基本理论研究与实际应用交叉融合技术。

对国内高新材料产业发展有着重要推动作用，其在全国更广泛推广应用，能加速国内高新材料研究进程，为国内高新技术产业发展作出更大贡献。

在纳米表征技术下，磁性纳米材料应用日显勃勃生机。

例如磁性材料与信息化、自动化、机电一体化、国防，国民经济方方面面紧密有关，磁记录材料至今仍是信息工业主体。

磁性纳米材料应用可谓涉及到各个领域。

在机械，电子，光学，磁学，化学和生物学领域有着广泛应用前景。

纳米科学技术诞生将对人类社会产生深远影响。

并有也许从主线上解决人类面临许多问题。

特别是能源，人类健康和环保等重大问题。

下一世纪初重要任务是根据纳米材料各种新颖物理和化学特性设计出顺应世纪各种新型材料和器件，通过纳米材料科学技术对老式产品改性，增长其高科技含量以及发展纳米构造新型产品。

已浮现可喜苗头，具备了形成下一世纪经济新增长点基本。

磁性纳米材料将成为纳米材料科学领域一种大放异彩明星，在新材料，能源，信息，生物医学等各个领域发挥举足轻重作用。

2.制备

在人们所熟知大量磁性材料中，由于不能同步满足高饱和磁化强度和稳定性高规定，饱和磁化强度高但稳定性低材料应用在一定限度上受到了限制。

当前可选作磁性微粒仅有少数几种，重要为金属氧化物，如三氧化二铁（Fe2O3）、MFe2O4（M为Co，Mn，Ni）、四氧化三铁（Fe3O4），二元和三元合金，如金属铁、钴、镍及其铁钴合金、镍铁合金，以及钕铁硼（NdFeB）、镧钴合金（LaCo）合金等，它们稳定性（即抗氧化能力）依次递减，但饱和磁化强度却按上述顺序递增。

纳米科技发展，使这些磁性材料应用成为也许，当前，磁性材料纳米化已成为材料科学一种发展趋势。

磁性纳米粒子在各个领域潜在应用，引起了广大研究者对其制备办法研究[1]。

其制备办法可分为生物法、物理法和化学法。

生物法磁性纳米粒子广泛地存在于各种生物体如趋磁细菌、蚂蚁、蜜蜂、鸽子和鲑鱼体内。

通过恰当分离办法可获得化学纯度高、粒度均一、外形各异磁性纳米粒子。

但该办法缺陷是粒子提取过程较为复杂，且所得粒子粒径可控范畴可比较受限制[2]。

物理法　研磨法普通是在表面活性剂存在下，研磨几周制得。

姜继森等将粉碎磁性微粒Fe3O4和表面活性剂添加到载液中，在球磨机中通过1000h左右球磨，再在高速离心机中解决几十分钟才得到。

该法工艺简朴，但周期长、材料运用率低，球磨罐及球磨损严重、杂质较多、成本昂贵，还不能得到高浓度磁流体，因而实用性差。

超声波法可以制得粒径分布均匀磁流体。

蒸发冷凝法是在旋转真空滚筒底部放入具有表面活性剂基液，随着滚筒旋转，在其内表面上形成液体膜。

金属颗粒在表面活性剂作用下分散于基液中，制得稳定金属磁性液体。

该办法制备金属磁性液体材料具备磁性粒子粒度分布均匀、分散性好特点，但所需设备复杂且需要抽真空[3]。

化学法在过去几十年里，许多研究者致力于通过化学法合成磁性纳米粒子，并获得了许多令人瞩目成就。

特别是近几年，许多文献报道了通过精致化学实验设计获得尺寸可控、高稳定性和单分散磁性纳米粒子。

化学法涉及沉淀法、溶胶-凝胶法、水热和高温分解法、微乳液法以及其她化学办法。

（1）.沉淀法

沉淀法涉及共沉淀法、均匀沉淀法和直接沉淀法，共沉淀法适合制备氧化物，是在混合金属盐溶液中添加沉淀剂，即得到组分均匀溶液，再进行热分解，特点是简朴易行，但产物纯度低、粒径大；直接沉淀法是使溶液中金属阳离子直接与沉淀剂发生化学反映而形成沉淀物；均匀沉淀法是在金属盐溶液中加入沉淀剂溶液时不断搅拌，使沉淀剂在溶液中缓慢生成，消除了沉淀剂不均匀性。

下面简介共沉淀法。

由于共沉淀法具备实验操作简便、反映条件温和等特性，现已成为制备磁性纳米粒子典型办法之一。

其原理是在室温或加热条件下，向惰性气体保护Fe2+／Fe3+盐溶液中加入碱，获得磁性氧化铁（Fe304或γ-Fe203）纳米粒子，重要反映如下：

Fe2++2Fe3++80H-＝Fe304+4H20（1．1）

Fe304+2H+＝γ-Fe203+Fe2++H20（1．2）

共沉淀法制备Fe304纳米粒子重要有两种方式：

（1）以Fe（II）盐为水解反映原料，采用各种氧化剂在铁盐水解同步，将其某些氧化成Fe（III），得到磁性Fe304纳米粒子；

（2）在碱性条件下共沉淀一定比例Fe（II）和Fe（III）盐混合物。

在共沉淀过程中，重要涉及两个阶段：

当物质浓度达到临界过饱和浓度时浮现短爆炸性成核过程，然后经由溶液扩散到晶体表面浮现核生长过程。

为能获得单分散氧化铁纳米粒子，这两个阶段必要分离，也就是在生长过程中应避免成核。

磁性纳米粒子尺寸、形状和构成强烈依托所用盐类型（如高氯酸盐、盐酸盐、硫酸盐、硝酸盐等）、Fe2+/Fe3+摩尔比、介质pH值和离子强度。

因而可通过控制介质pH、离子强度、温度、盐类型或Fe（II）／Fe（III）浓度比，来控制纳米粒子尺寸和形状，由此可获尺寸小到2nm磁性粒子。

（2）.溶胶-凝胶法

溶胶-凝胶法是近年来发展起来一种湿法合成金属氧化物纳米材料办法，其原理是基于前体分子在溶液中发生水解和缩合反映，形成纳米尺度“溶胶”，随后进一步发生缩聚反映获得一种三维金属氧化物网状构造——湿凝胶，然后再在较低温度下烧结成所要合成材料。

其中对水解、缩合反映产生影响进而影响凝胶构造和性能重要参数涉及：

溶剂、温度、所用前体盐性质和浓度、pH和搅拌速度。

文献报道通过在400oC下直接加热解决凝胶制备尺寸为6-15nmγ-Fe203纳米粒子。

溶胶-凝胶法重要有几种长处，如

（1）通过实验条件选取可获得预想构造材料；

（2）可获得纯无定形相．单分散性好和尺寸可控粒子：

（3）产物微构造和均一性可得到较好控制；（4）通过溶胶-凝胶基体可实现保持被包埋分子好性能和稳定性[2]。

（3）.水热和高温分解法

水热法是指在一定温度和压力下，使物质在溶液中进行反映一种制备办法，所得产物纯度高，分散性好，粒度易于控制，近年来发展迅速。

Cheng等以乙二醇为还原剂，乙酸钠为静电稳定剂，用水热法还原FeCl3可得到Fe304。

微球。

Qi等用十二烷基硫酸镍作为前体物和表面活性剂，与FeCl3和NaOH溶液在120℃水热合成NiFe204纳米微粒，其δs（比饱和磁化强度）达到30．4emu／g。

然而在研究水热法制备纳米粒子过程中发现，普通加热方式由于使反映溶液中存在严重温度不均匀，使液体不同区域产物“成核”时间不同，从而使先前成核微晶汇集长大，难以保证反映产物颗粒集中分布[4]。

高温分解法是通过在高沸点有机溶剂中加热分解有机金属化合物来制备纳米粒子一种办法。

通过控制反映时间和温度、反映物浓度和比例、溶剂性质等可控制纳米粒子尺寸和形态。

表面活性剂吸附到纳米粒子表面可起到稳定胶体溶液。

例如，Sun等报道以乙酰丙酮铁盐为铁原料，油酸和油胺为稳定剂，l，2-十六二醇为还原剂，在高沸点溶剂二苯醚中成功合成了单分散磁性纳米粒子。

这些粒子直径可在4-20nm范畴进行精准调控，通过加入双极性表面活性剂可使疏水性粒子转化成亲水性粒子[2]。

（4）.微乳液法

微乳液是两种互不相溶液体通过表面活性剂分子作用形成动力学和热力学稳定、各向同性、外观透明或半透明分散体系，该体系普通由有机溶剂、水溶液、表面活性剂和助表面活性剂四某些构成。

微乳液可分为水分散在油中（W／O）和油分散在水中（O／W）两种体系。

例如，用W／O反相微乳液来制备纳米粒子时，一种表面活性剂分子单层包围水溶液相形成一种个微液滴（典型尺寸为1-50nm）分散在持续有机相中，把在微液滴中分别包有反映物A和B相似构成微乳液混合，微液滴间不断地互相碰撞、融合、破裂。

在碰撞融合过程中微液滴间将发生物质互换和核汇集。

这样在一种微液滴中就会包有反映物A和B，从而发生化学反映获得纳米粒子。

通过微液滴限制粒子成核和增长，合成具备尺寸分布窄，具备均一物理性能超顺磁性纳米粒子，由此可避免由共沉淀法制备粒子存在单分散性差和宽尺寸分布缺限。

Jia等在W／O乳液中以含少量水微液滴作为反映器，原位制备磁性壳聚糖／Fe304复合纳米粒子。

当NaOH溶液被加入包括壳聚糖和铁盐溶液乳液中，Fe304和壳聚糖纳米粒子被沉淀，Fe304被壳聚糖纳米粒子包覆，当用不同分子量壳聚糖时，磁性壳聚糖纳米粒子尺寸可在10．80nm范畴内变化。

复合纳米粒子饱和磁化强度值为11.15emu／g。

通过变化壳聚糖和Fe304重量比可条件复合粒子磁化强度值。

（5）.其她化学办法

除上面提到这些办法外，制备纳米磁性粒子尚有某些其他办法，如超声化学法，其运用超声波空化作用瞬间产生高温（>5000K）、高压（>20MPa）以及极高冷却速率（1010K/s）等极端条件促使氧化、还原、分解和水解等反映进行来制各纳米粒子。

Kim等用超声化学办法合成了高饱和磁化强度和高结晶性超顺磁性Fe304纳米粒子，这些磁流体用油酸表面活性剂包被，包被SPION很容易分散在壳聚糖中，壳聚糖中包覆SPION水力学直径大概为65nm，呈现好稳定性。

除此之外，多元醇还原法、流动注射合成法、电化学法、气溶胶法等也可以制备纳米磁性粒子[2]。

3.性能

磁性材料性能

纳米科技发展于20世纪