一种超大尺寸高长径比四氧化三铁二维纳米片及其制备方法

1.本发明涉及一种超大尺寸和高长径比四氧化三铁二维纳米片及其制备方法，属纳米材料领域。


背景技术：

2.目前制备四氧化三铁的方法较多，一般是借助三价和二价铁离子盐以一定比例还原的方法来制备四氧化三铁。但是二价铁离子的易氧化特点在实际操作中暴露在空气中过长时间易变质。尤其是以有机溶剂作为溶剂不利于安全和环保生产。另外微波、辐射以及还原气还原等方法均需要专门的设备来进行生产，不利于降低成本。且现有的水热反应虽然也能得到四氧化三铁纳米片，但其得到的产物不能满足特殊的性能要求。


技术实现要素：

3.为解决上述现存的问题，本发明的目的是提供一种工艺简单、产率高、易大批量生产的超大尺寸高长径比四氧化三铁二维纳米片及其制备方法，本发明所得到的四氧化三铁二维纳米片尺寸大、厚度小、长径比高，并具有强铁磁性。
4.为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下；
5.一种超大尺寸高长径比四氧化三铁二维纳米片的制备方法，包括以下步骤：
6.(1)向0.02-0.05mol/l的水溶性三价铁盐溶液中加入0.5-1mol/l的强碱,0.02-0.05mol/l的表面活性剂和2-5mol/l的弱还原剂；
7.(2)充分溶解后放入高温高压反应釜中，反应，反应时间为12-24h，反应温度为120-200℃；
8.(3)将洗涤、离心3-5次，离心速度为6000-8000rpm,最后在60-80℃下真空干燥6-24h得到金黄色的四氧化三铁二维纳米片；
9.其中，所述强碱,表面活性剂和弱还原剂相对水溶性三价铁盐的摩尔比分别为20-30：1，1.2-1.8：1和80-100：1；
10.所述弱还原剂选自氨水、抗坏血酸或柠檬酸钠中的一种或几种；
11.所述水溶性三价铁盐选自氯化铁、铁氰酸钾、草酸铁或硫酸铁中的一种或几种；
12.所述强碱选自氢氧化钠、氢氧化钾和季胺碱中的一种或几种；
13.所述表面活性剂选自聚乙烯基吡咯烷酮pvp、聚乙二醇或十二烷基磺酸钠中的一种或几种。
14.本发明还涉及上述制备方法所制备得到的四氧化三铁二维纳米片，所述四氧化三铁二维纳米片长度为20um-100um，厚度为3-5nm，具有铁磁性。
15.所述四氧化三铁二维纳米片的长径比为5000以上。
16.所述四氧化三铁二维纳米片的饱和磁化强度为50-70emu/g，剩磁为10-15emu/g。
17.与现有技术相比，本发明方法具有以下优点：
18.(1)采用该方法制备的四氧化三铁纳米片尺寸大20-100um，厚度为3-5nm,长径比
高达5000以上，具有强铁磁性(饱和磁化强度达到50-70emu/g，剩磁达到10-15emu/g)。
19.(2)本方面所述制备方法工艺简单，以水作为溶剂，可大批量生产，重复性好。
20.本发明以水作为溶剂、通过水热反应即可得到四氧化三铁二维纳米片，不需要其他复杂工艺设备来辅助制备。另外本发明所制备得到的四氧化三铁纳米片的长径比、尺寸远超同类型制备方法。超高长径比的二维fe3o4纳米片可以用作超级电容器、催化、吸波等领域。
21.本发明在低浓度铁源、强碱性、弱还原剂以及高浓度表面活性剂的取向作用下，得到了高长径比的纳米片，另外体系条件的控制包括反应时间、温度也会影响最终的实验产物，本发明通过体系配方的优化协同制备得到大尺寸高长径比的二维铁磁性纳米片。
附图说明
22.图1和图2为实施例1制备的四氧化三铁纳米片的扫描电镜图,尺寸在20-100um之间；
23.图3为实施例1制备的四氧化三铁的xrd图，pdf72-2303为fe3o4的标准峰；图3中峰型尖锐与fe3o4的xrd标准图谱基本一致，说明所得四氧化三铁纳米片纯度高、结晶好。
24.图4为实施例1制备的四氧化三铁纳米片的原子力显微照片，测得的厚度在3-5nm之间；
25.图5和6为实施例1制备的四氧化三铁纳米片在室温下的磁滞回线图，饱和磁化强度在55.3emu/g，剩余磁化强度为12.6emu/g。
26.图2、图4和图5-6可以说明所制备的fe3o4纳米片尺寸为10um以上，厚度为3-5nm且具有室温强铁磁性和强矫顽力。
27.图7、8为对比例2制备的四氧化三铁纳米片的扫描电镜图,尺寸在10-100μm之间，厚度在20-30nm；
28.图9、10为对比例3制备的四氧化三铁纳米片的扫描电镜图,尺寸在50-500μm之间，厚度在60-70nm之间；
29.图11、12为对比例4制备的四氧化三铁纳米片的扫描电镜图,尺寸在50-500μm之间，厚度在150-200nm之间；
30.图13、14为对比例5制备的四氧化三铁纳米片的扫描电镜图,尺寸在200μm左右，厚度在150-250nm之间；
具体实施方式
31.下面结合实施例详细说明本发明所提供的一种超大尺寸高长径比四氧化三铁二维纳米片的制备方法，应当理解，此处所描述的实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
32.实施例1
33.(1)配置0.025mol/l的铁氰酸钾水溶液，再分别加入摩尔浓度为0.0375mol/l的聚乙烯基吡咯烷酮k30(分子量取4万计算)，0.0625mol/l的氢氧化钠和2.25mol/l的氨水，充分搅拌溶解。
34.(2)放入水热反应釜中于140℃下反应12h后，用去离子水洗涤、离心3-5次。所得产
物在60℃真空干燥12小时便可得到四氧化三铁纳米片成品。
35.(3)图1-6为实施例1的扫面图、原子力显微图、xrd图以及磁滞回线图。可以看出所得的纳米片尺寸在20-100μm，厚度在3-5nm,长径比高达5000-10000，具有室温强铁磁性。
36.对比例2
37.(1)配置0.035mol/l的铁氰化钾水溶液，再分别加入摩尔浓度为0.0375mol/l的聚乙烯基吡咯烷酮k30粉末，1.2mol/l的氢氧化钠和2.25mol/l的氨水，充分搅拌溶解。
38.(2)放入水热反应釜中于140℃下反应12h后，用去离子水洗涤、离心3-5次。所得产物在60℃真空干燥12小时便可得到四氧化三铁纳米片成品。
39.(3)图7-8为对比例2的扫描图。从图中可以看出片尺寸在10-100μm之间，单层厚度约为20-30nm。
40.对比例3
41.(1)配置0.015mol/l的铁氰化钾水溶液，再分别加入摩尔浓度为0.0375mol/l的聚乙烯基吡咯烷酮k30，0.0625mol/l的氢氧化钠和2.25mol/l的氨水，充分搅拌溶解。
42.(2)放入水热反应釜中于140℃下反应12h后，用去离子水洗涤、离心3-5次。所得产物在60℃真空干燥12小时便可得到四氧化三铁纳米片成品。
43.(3)图9-10为对比例3的扫描图。从图中可以看出片尺寸在50-500μm之间，厚度约为60-70nm，并且产物中含有部分fe3o4纳米颗粒。
44.对比例4
45.(1)配置0.025mol/l的铁氰化钾水溶液，再分别加入摩尔浓度为0.0125mol/l的聚乙烯基吡咯烷酮k30溶液，0.0625mol/l的氢氧化钠和2.25mol/l的氨水，充分搅拌溶解。
46.(2)放入水热反应釜中于140℃下反应12h后，用去离子水洗涤、离心3-5次。所得产物在60℃真空干燥12小时便可得到四氧化三铁纳米片成品。
47.(3)图11-12为对比例4的扫描图。从图中可以看出片尺寸在50-500μm之间，厚度约为150-200nm，并且产物中含有部分fe3o4纳米颗粒。
48.对比例5
49.(1)配置0.035mol/l的铁氰化钾水溶液，再分别加入摩尔浓度为0.0375mol/l的聚乙烯基吡咯烷酮k30，0.0625mol/l的氢氧化钠和浓度为1.25mol/l的氨水，充分搅拌溶解。
50.(2)放入水热反应釜中于140℃下反应12h后，用去离子水洗涤、离心3-5次。所得产物在60℃真空干燥12小时便可得到四氧化三铁纳米片成品。
51.(3)图13-14为对比例5的扫描图。从图中可以看出片呈正六边形，且片上有还未长大的纳米粒子。片尺寸在200μm左右，厚度约为150-250nm。

技术特征：
1.一种超大尺寸高长径比四氧化三铁二维纳米片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)向0.02-0.05mol/l的水溶性三价铁盐溶液中加入0.5-1mol/l的强碱,0.02-0.05mol/l的表面活性剂和2-5mol/l的弱还原剂；(2)充分溶解后放入高温高压反应釜中，反应，反应时间为12-24h，反应温度为120-200℃；(3)将洗涤、离心3-5次，离心速度为6000-8000rpm,最后在60-80℃下真空干燥6-24h得到金黄色的四氧化三铁二维纳米片；其中，所述强碱,表面活性剂和弱还原剂相对水溶性三价铁盐的摩尔比分别为20-30：1，1.2-1.8：1和80-100：1；所述弱还原剂选自氨水、抗坏血酸或柠檬酸钠中的一种或几种；所述水溶性三价铁盐选自氯化铁、铁氰酸钾、草酸铁或硫酸铁中的一种或几种；所述强碱选自氢氧化钠、氢氧化钾和季胺碱中的一种或几种；所述表面活性剂选自聚乙烯基吡咯烷酮pvp、聚乙二醇或十二烷基磺酸钠中的一种或几种。2.根据权利要求1所述制备方法制备得到的四氧化三铁二维纳米片，其特征在于，所述四氧化三铁二维纳米片长度为20um-100um，厚度为3-5nm，具有铁磁性。3.根据权利要求2所述的四氧化三铁二维纳米片，其特征在于，所述四氧化三铁二维纳米片的长径比为5000以上。4.根据权利要求2所述的四氧化三铁二维纳米片，其特征在于，所述四氧化三铁二维纳米片的饱和磁化强度为50-70emu/g，剩磁为10-15emu/g。

技术总结
本发明是一种超大尺寸高长径比四氧化三铁二维纳米片及其制备方法，本发明以铁离子盐溶于水中，加入表面活性剂、强碱和弱还原剂，得到超大尺寸高长径比的四氧化三铁纳米片。本方法工艺简单、产率高以及适合大量制备，所得的纳米片长度在20μm到100μm，厚度为3-5nm,具有铁磁性(饱和磁化强度为50-70emu/g，剩磁为10-15emu/g)，可应用于自旋电子器件、超级电容器、吸波、催化和磁功能复合材料等领域。催化和磁功能复合材料等领域。


技术研发人员：李衡峰 李志伟 周宏明
受保护的技术使用者：中南大学
技术研发日：2022.03.18
技术公布日：2022/5/25