四氧化三铁制备化学实验演示教学

四氧化三铁纳米片的制备及其对液体石蜡摩擦学的改性张锡凤1)刘晓光1)程晓农2)殷恒波1)曹智娟1)郝伟1)严冲2)1) 江苏大学化学化工学院，江苏镇江2120132) 江苏大学材料科学与工程学院，江苏镇江212013摘要：采用液相化学氧化法，在水体系中，以硫酸亚铁为母体，水合肼为氧化剂，加入吐温-80（Tween-80）为修饰剂，合成了厚约20nm、长约152nm的四氧化三铁纳米片。

通过X-射线衍射（XRD）、透射电子显微镜（TEM）、扫描电子显微镜（SEM）和高浓度激光粒度仪对四氧化三铁纳米片进行了表征。

将四氧化三铁纳米片加到基础油液体石蜡（LP）中，在UNT-Ⅱ摩擦磨损实验机上考察其作为LP添加剂后的摩擦磨损性能，采用SEM分析了磨损表面形貌和表面膜元素组成及含量。

结果表明：与不加四氧化三铁纳米片的LP相比，添加后较大程度的降低了摩擦系数，并获得较小的磨痕直径，显著改善了LP的摩擦性能。

关键词：四氧化三铁，纳米片，化学还原法，摩擦学Preparation of Fe3O4 Nanopiece and ModificationTribological Property of Liquid Paraffin as Its Additive ZHANG Xifeng1, LIU Xiaoguang1, CHENG Xiaonong2, YIN Hengbo1, Cao zhijuan1, HAO Wei1,YAN Chong2(1. School of Chemistry and Chemical Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang, 212013;2. School of Material Science and Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang, 212013. ) Abstract: 20nm thick and 152nm length Fe3O4Nanopieces were synthesized using ferrous sulfate as precursor in water systems, hydrazine hydrate as reductant, polyethylene sorbitan monooleate （Tween-80）as modifier. The as-prepared Fe3O4Nanopieces were characterized by transmission electron micrographs (TEM), powder X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscope (SEM), high concentration laser granularity scatter analyzer. The anti-wear and friction reducing performance of Fe3O4nanopieces as liquid paraffin additive was investigated on UNT-Ⅱball-on-plate friction and wear testers. The worn surface morphology and composition of surface film were analyzed by means of scanning electron microscope (SEM). Compared with pure liquid paraffin, the results indicate that the tribological property of liquid paraffin with Fe3O4 nanopieces is improved, the friction coefficients are decreased, and the worn diameter is lesser.key words: ferroso-ferric oxide; nanowires; synthesis (chemical); tribological propertygranularity scatter纳米金属材料的晶粒尺寸与形貌、表面状态和微结构直接影响到纳米金属的物化性质与用途。

纳米Fe304的液相制备方法主要有：水热法、共沉淀法、滴定法、水解法、超声波法、空气氧化法、微乳液法等。

综合不同方法．各有优劣。

其中共沉淀法、空气氧化法工艺简单具有工业化前景，但产物不均匀，分散性不佳；而用水热法、微乳液法、滴定法以及用有机铁为原料或将无机铁盐置于有机溶剂中进行高温分解或液相反应等可制备分散性好的超顺磁性纳米Fe304，但这些方法均成本较高。

工艺苛刻等。

因此如何低成本制备具有较好分散性的超顺磁性纳米Fe304是研究者努力的目标。

一.2.2螯合磁性纳米Fe3O4粒子的制备（共沉淀法）2.1原料三氯化铁、氯化亚铁、氨水均为分析纯，天津市红岩化学试剂厂；硅烷偶联剂KH560(分析纯，上海耀华有限公司)；氨基硫脲(分析纯，上海国药集团化学试剂有限公司)。

纳米Fe3O4粒子的制备：按摩尔比4：3称取FeCl3.6H2O和FeCl2·4H2O 溶于水，在90.0℃水浴中，氮气保护，缓慢加入氨水，搅拌反应1h，产物用蒸馏水洗涤至中性。

纳米Fe3O4粒子表面偶联剂处理：上述Fe3O4纳米粒子中加入偶联剂KH560，以甲苯作溶剂，超声波分散15min。

然后在甲苯回流温度下，氮气保护，搅拌反应4h。

产物采用无水乙醇抽提12h以除去表面物理吸附的偶联剂。

螯合磁性纳米Fe3O4粒子的制备：氨基硫脲溶于无水乙醇溶液，加入上述偶联剂处理的纳米粒子，并加入蒸馏水和碳酸钠，氮气保护，60℃恒温反应2h。

产物用蒸馏水洗涤，再依次用0.2％氢氧化钠，0.1％盐酸，蒸馏水洗至中性，干燥备用。

二.1．4化学共沉淀合成法该法应用比较广泛，主要是在碱性条件下共沉淀Fe2+和Fe3+离子混合物。

王玫等[12]将FeS04·7HzO和FeCl3·6H20以摩尔比为1：2溶于蒸馏水中，铁离子总浓度为0．3mol·L-1。

放人三口烧瓶中，连续通氮气，在快速搅拌作用下向反应器加氨水，在反应过程中保持pH值在10左右。

共沉淀法制备四氧化三铁纳米颗粒原理好啦，今天咱们来聊聊怎么用共沉淀法制备四氧化三铁纳米颗粒。

说实话，这个话题听起来有点复杂，但要是你跟我一块儿探讨，保证你能轻松get到重点！先别急，慢慢来，咱们一步一步地走，不慌不忙。

共沉淀法，说白了，就是让化学反应在溶液里发生，把一些物质从液体中“沉”出来，变成固体。

听起来是不是有点像做菜的时候，水分蒸发，最后剩下的就是固体食材？这就是共沉淀法的精髓！为了让咱们要制备的四氧化三铁纳米颗粒“沉”下来，通常需要一对好搭档——铁盐和氢氧化物。

简单说，就是铁盐溶解在水里，然后通过加入氢氧化物让它们反应，最后在温度和pH值的控制下，铁就“变身”成了四氧化三铁纳米颗粒。

听着是不是有点像魔法？但其实背后是有一套复杂的化学反应的。

这其中的关键就是氢氧化物，通常用的是氢氧化钠或者氢氧化铵，它们能帮助铁盐转化成铁氢氧化物。

而铁氢氧化物一旦生成，咱们可就离目标越来越近了。

经过一段时间的反应，温度适宜、pH合适，四氧化三铁的纳米颗粒就会慢慢“现身”，像变魔术一样，在溶液中逐渐显现出来。

你可能会想，咱们为什么非得做四氧化三铁纳米颗粒呢？这个问题问得好！四氧化三铁（Fe₃O₄），咱们通常叫它“磁铁矿”，它有着超级棒的磁性，广泛应用于药物输送、磁共振成像、废水处理等等。

想想看，咱们要是能制备出这种纳米级别的小颗粒，不但能提高反应的效率，还能让这些颗粒更好地分散，避免它们像大块铁一样“自作主张”堆成一堆，影响效果。

不过呢，这个过程可不简单！就像做菜一样，调料用得不对，火候不合适，做出来的味道肯定差强人意。

要是你在制备过程中不控制好温度、pH值，四氧化三铁纳米颗粒可能就会变得不均匀，甚至形态不符合咱们的预期。

所以啊，控制这些细节可是关键中的关键，毕竟谁也不希望一锅好菜弄成了“灾难”。

好啦，咱们说说过程。

一般来说，先得把铁盐溶解在水里，通常是硫酸铁或者氯化铁，这两种铁盐最常见。

然后呢，往溶液里缓缓加入氢氧化钠或者氢氧化铵，一边加一边搅拌。

第29卷第1期2007年3月湖北大学学报(自然科学版Journal of Hubei University (Natural ScienceVol.29No.1Mar.,2007收稿日期:20060622作者简介:黄菁菁(1981,女,硕士生文章编号:10002375(200701005003化学共沉淀法制备纳米四氧化三铁粒子黄菁菁,徐祖顺,易昌凤(湖北大学材料科学与工程学院,湖北武汉430062摘要:用化学共沉淀法制备纳米四氧化三铁粒子,应用X 射线衍射,透射电子显微镜对磁性粒子的结构、粒径、形貌进行了表征,并讨论铁盐溶液浓度、沉淀剂浓度及超声波对粒子粒径的影响.关键词:化学共沉淀法;四氧化三铁;超声波中图分类号:TM227,O611.4文献标志码:A随着纳米技术的发展,有关磁性纳米粒子的制备方法及性质受到极大的重视.四氧化三铁纳米粒子在作为磁记录材料、磁流体的基本材料、特殊催化剂原料、功能材料和磁性颜料等方面显示出许多特殊的功能[1~5].目前,制备纳米四氧化三铁的方法有很多,如水热反应法[6],中和沉淀法[7],化学共沉淀法[8],沉淀氧化法[9],r -ray 辐照法[10],微波辐射法[11]等,其中以共沉淀法最为简便.本实验采用化学共沉淀法制备纳米Fe 3O 4粒子,并讨论了铁盐浓度、沉淀剂浓度以及超声波对微粒粒径的影响.1实验部分1.1试剂及仪器FeCl 3・6H 2O (AR ;FeSO 4・7H 2O (AR ;N H 3・H 2O (AR ;S K2200H 型超声波发生器,频率20k Hz ,功率90W ;D/MAX 2ⅢC 型X 射线扫描仪(XRD ;TEX 2100SX 型透射电子显微镜(TEM .1.2实验原理将二价铁盐(FeSO 4・7H 2O 和三价铁盐(FeCl 3・6H 2O 按一定比例混合,加入沉淀剂(N H 3・H 2O ,搅拌,反应一段时间即得到纳米Fe 3O 4粒子,反应式为:Fe 2++2Fe 3++8N H 3・H 2O =Fe 3O 4↓+8N H +4+4H 2O由反应式可看出,反应的理论摩尔比为Fe 2+∶Fe 3+=1∶2,但由于二价铁离子容易氧化成三价铁离子,所以实际反应中二价铁离子应适当过量.1.3四氧化三铁的制备将一定量的二价铁盐(FeSO 4・7H 2O 和三价铁盐(FeCl 3・6H 2O 混合溶液加入到三口烧瓶中,滴液漏斗中加入一定浓度的沉淀剂N H 3・H 2O ,在氮气氛下将氨水溶液加到反应体系中,使体系的p H ≥10,剧烈搅拌,水浴恒温.搅拌30min 后结束反应,用蒸馏水反复洗涤直至中性,倾去上层清液,在60℃下真空干燥后,研磨即得纳米Fe 3O 4粒子.2纳米Fe 3O 4粒子的表征2.1XR D 分析图1为纳米Fe 3O 4粒子的衍射图,图中的衍射峰出现在2θ=30°,35°,42°,62.5°处,分别对应立方相Fe 3O 4的(220,(311,(400,(440晶面.由Scherrer 公式:D =κλ/βco s θ.式中λ为射线波长,κ为峰形因子,D 为晶体的平均粒径,θ为衍射角,β为校正后的半峰宽.κ值取决于几个因素,其值一般取0.89.取2θ为35°时的半峰宽算出纳米Fe 3O 4粒子的平均粒径为8.8nm.2.2TEM 分析图2为纳米Fe 3O 4粒子的透射电镜图片.图中磁性Fe 3O 4粒子大小较均一,形状为球形,粒子粒径为10~20nm.TEM 得到粒子的平均粒径比XRD 的大,这是由于Scherrer 公式算出的第1期黄菁菁等:化学共沉淀法制备纳米四氧化三铁粒子51粒径为Fe3O4晶体的平均粒径,而TEM看到的粒子可能是多个Fe3O4晶体的团聚体.图1FeO4纳米粒子的XRD的照片图2Fe3O4纳米粒子的TEM谱图3结果与讨论3.1Fe2+、Fe3+溶液浓度对产物粒径的影响在反应体系温度为40℃,二价铁盐和三价铁盐的物质的量比为1∶1,C Fe2+=C Fe3+,N H3・H2O浓度为1mol/L,搅拌速度恒定的条件下,考察了铁盐溶液浓度对Fe3O4粒子粒径的影响,结果如表1所示.表1Fe2+和Fe3+浓度对F e3O4平均粒径的影响试样铁盐浓度/(mol・L-1平均粒径/nm产物颜色a0.2522.1黑b0.1515.5黑c0.1258.8黑褐由表1可知,当铁盐浓度很小时,产物颜色呈现出黑褐色,其原因为Fe2+离子在低浓度时更易被氧化成Fe3+离子,从而使实际参加反应离子的比例发生变化,而生成其他的杂质[8].在铁盐浓度很低时,晶核成长速率较小及成长过程较短,所以产物粒径降低.随着铁盐浓度增加,晶核粒径逐渐增大,生成粒子粒径也逐渐增大.3.2氨水浓度对产物粒径的影响在反应体系温度为40℃,二价铁盐和三价铁盐的物质的量比为1∶1,铁盐溶液浓度为0.25mol/L(C Fe2+=C Fe3+,搅拌速度恒定的条件下,考察了氨水浓度对Fe3O4粒子粒径的影响,结果如表2所示.表2NH3・H2O浓度对Fe3O4平均粒径的影响试样氨水浓度/(mol・L-1平均粒径/nm产物颜色a 1.523.8黑b 1.022.0黑c0.515.5黑由表2可知,当氨水浓度增大时,粒子平均粒径增大.如果氨水浓度增加,就有许多未反应的N H3・H2O附着在粒子表面,从而使产物粒径增大.3.3超声波对产物粒径的影响在反应体系温度为40℃,二价铁盐和三价铁盐的物质的量比为1∶1,C Fe2+=C Fe3+,搅拌速度恒定的条件下,开启超声波发生器,考察超声波对Fe3O4粒子粒径的影响,结果如表3所示.湖北大学学报(自然科学版第28卷52表3超声波对Fe3O4平均粒径的影响试样铁盐浓度/(mol・L-1氨水浓度/(mol・L-1平均粒径/nm产物颜色a0.25 1.523.8黑a30.25 1.517.2黑b0.25 1.022.1黑b30.25 1.09.4黑3为反应时引入超声波由表3可知,当反应物条件相同的情况下,超声波的引入使制得的Fe3O4粒子粒径减小.这可能是(1超声波使体系湍动状态加剧,晶核成长受到一定阻碍,所以产物粒径有所降低;(2超声波的分散作用使成形的Fe3O4粒子难以发生团聚,这样使产物的最终粒径减小.4结论采用化学共沉淀法制备纳米Fe3O4粒子,其粒径大小随铁盐溶液浓度和氨水浓度的增加而增大.在搅拌的同时引入超声波,可使产物粒径减小.改变实验条件,可制得平均粒径在10nm以下的纳米Fe3O4粒子.参考文献:[1]Yamguchi K,Matsumoto K,Fiji T.Magnetic anisotropy by ferromagnetic particles alignment in a magnetic field[J].J Appl Phys,1990,67:44934495.[2]Odenbach S.Magnetic fluids[J].Adv Colloid Interface Sci,1993,46:263282.[3]Atarshi T,Imai T.On the preparation of the colored water2based magnetic fluids cred,yellow blue and black[J],Magn Magn Mater,1990,85:3 6.[4]Caceres P G,Behbehani M H.Microstructural and surface area development during hydrogen reduction of magnetite[J],Appl Catal A,1994,109:211223.[5]Chikov V,Kuznetsov A.Single cell magnetophoresis and its diagnostic value[J],J Magn Magn Mater,1993,122:367370.[6]Fan R,Chen X H,Gui Z,et al.A new simple hydrothermal prepation of nanocrystalline magnetite Fe3O4[J].Materials Research Bulletin,2001,36:497502.[7]丁明,曾桓兴.中和沉淀法Fe3O4的生成研究[J].无机材料学报,1998,13:619624.[8]秦润华,姜炜,刘红缨,等.纳米磁性四氧化三铁的制备和表征[J].材料导报.2003,17:6668.[9]Zhu Y ihua,Wu Qiufang.Synthesis of magnetite nanoparticles by precipitation with forled mixing[J].Journal ofNanoparticle Research,1999,1:393396.[10]Wang Shizhong.Xin Houwen,Qian Y itai.Preparation of nanocry stallineFe3O4byγ2ray radition[J].MaterialsLetters,1997,33:113116.[11]Khollam Y B,Dhage S R,Potdar S B,et al.Microwave hydrothermal preparation of submicron2sized sphericalmagnetite(Fe3O4powders[J].Materials Letters,2002,56:571577.Fe3O4nanoparticles prepared by chemical co2precipitation methodHUAN G Jing2jing,XU Zu2shun,YI Chang2feng(School of Materials Science and Engineering,HubeiUniversity,Wuhan430062,China Abstract:Fe3O4nanoparticles were prepared by chemical co2precipitation met hod.The p roperties of Fe3O4nanoparticles were characterized by X2ray diffraction(XRDand t ransmission elect ronmicroscopy(TEM.The effect s of t he concent ration of Fe2+,Fe3+,N H3・H2O and t he ult rasonic on t he average diameter of t he Fe3O4nanoparticles are st udied.K ey w ords:chemical co2precipitation met hod;Fe3O4;ult rasonic(责任编辑晏建章。

四氧化三铁纳米片的制备及其对液体石蜡摩擦学的改性张锡凤1)刘晓光1)程晓农2)殷恒波1)曹智娟1)郝伟1)严冲2)1) 江苏大学化学化工学院，江苏镇江2120132) 江苏大学材料科学与工程学院，江苏镇江212013摘要：采用液相化学氧化法，在水体系中，以硫酸亚铁为母体，水合肼为氧化剂，加入吐温-80（Tween-80）为修饰剂，合成了厚约20nm、长约152nm的四氧化三铁纳米片。

通过X-射线衍射（XRD）、透射电子显微镜（TEM）、扫描电子显微镜（SEM）和高浓度激光粒度仪对四氧化三铁纳米片进行了表征。

将四氧化三铁纳米片加到基础油液体石蜡（LP）中，在UNT-Ⅱ摩擦磨损实验机上考察其作为LP添加剂后的摩擦磨损性能，采用SEM分析了磨损表面形貌和表面膜元素组成及含量。

结果表明：与不加四氧化三铁纳米片的LP相比，添加后较大程度的降低了摩擦系数，并获得较小的磨痕直径，显著改善了LP的摩擦性能。

关键词：四氧化三铁，纳米片，化学还原法，摩擦学Preparation of Fe3O4 Nanopiece and ModificationTribological Property of Liquid Paraffin as Its Additive ZHANG Xifeng1, LIU Xiaoguang1, CHENG Xiaonong2, YIN Hengbo1, Cao zhijuan1, HAO Wei1,YAN Chong2(1. School of Chemistry and Chemical Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang, 212013;2. School of Material Science and Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang, 212013. ) Abstract: 20nm thick and 152nm length Fe3O4Nanopieces were synthesized using ferrous sulfate as precursor in water systems, hydrazine hydrate as reductant, polyethylene sorbitan monooleate （Tween-80）as modifier. The as-prepared Fe3O4Nanopieces were characterized by transmission electron micrographs (TEM), powder X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscope (SEM), high concentration laser granularity scatter analyzer. The anti-wear and friction reducing performance of Fe3O4nanopieces as liquid paraffin additive was investigated on UNT-Ⅱball-on-plate friction and wear testers. The worn surface morphology and composition of surface film were analyzed by means of scanning electron microscope (SEM). Compared with pure liquid paraffin, the results indicate that the tribological property of liquid paraffin with Fe3O4 nanopieces is improved, the friction coefficients are decreased, and the worn diameter is lesser.key words: ferroso-ferric oxide; nanowires; synthesis (chemical); tribological propertygranularity scatter纳米金属材料的晶粒尺寸与形貌、表面状态和微结构直接影响到纳米金属的物化性质与用途。

四氧化三铁制取四氧化三铁，又称为磁性氧化铁，是一种具有磁性的黑色晶体，化学式为Fe3O4。

在自然界中，四氧化三铁广泛存在于赤铁矿、磁铁矿等矿物中。

它不仅在自然界中存在，还可以通过工业方法制取。

四氧化三铁具有多种用途，如制备磁性材料、催化剂、电子器件等。

制取四氧化三铁的方法有很多，以下将介绍两种常见的制备方法：高温烧结法和化学沉淀法。

1.高温烧结法高温烧结法是将铁鳞、氧化亚铁等原料在高温下进行烧结，得到四氧化三铁。

具体操作步骤如下：（1）准备原料：将铁鳞、氧化亚铁等原料进行干燥、破碎和筛选，使其达到一定的粒度。

（2）混合料：将处理好的原料按一定比例混合，搅拌均匀。

（3）成型：将混合好的原料放入模具中，进行成型。

常用的成型方法有压制成型、注浆成型等。

（4）高温烧结：将成型好的样品放入高温炉中，进行烧结。

烧结过程中，原料中的铁鳞和氧化亚铁发生反应，生成四氧化三铁。

烧结温度一般在1200-1400℃之间，具体温度根据原料和产品性能要求进行调整。

（5）冷却：烧结完成后，将样品从高温炉中取出，进行冷却。

冷却过程中，四氧化三铁晶体逐渐形成。

2.化学沉淀法化学沉淀法是利用铁盐和碱式碳酸铁等原料，通过化学反应生成四氧化三铁。

具体操作步骤如下：（1）配制溶液：将铁盐（如硫酸亚铁、硝酸亚铁等）和碱式碳酸铁放入水中，搅拌均匀，形成溶液。

（2）添加沉淀剂：向溶液中加入适量的沉淀剂（如氢氧化钠、氢氧化钙等），使铁离子沉淀。

（3）过滤：将沉淀物与溶液分离，得到滤饼。

滤饼中含有四氧化三铁。

（4）洗涤：将滤饼进行洗涤，去除杂质。

（5）干燥：将洗涤后的滤饼放入干燥器中，进行干燥。

干燥过程中，四氧化三铁晶体逐渐形成。

（6）煅烧：将干燥后的滤饼放入高温炉中，进行煅烧。

煅烧过程中，四氧化三铁晶体进一步成熟，同时去除残留的杂质。

煅烧温度一般在1000-1200℃之间。

通过以上两种方法，可以制得高纯度的四氧化三铁。

根据不同的应用领域，四氧化三铁的制备方法和技术有所差异。

实验一：共沉淀法制备具有超顺磁性的纳米四氧化三铁粒子一、实验背景有关纳米粒子的制备方法及其性能研究备受多学者的重视，这不仅因为纳米粒子在基础研究方面意义重大，而且在实际应用中前景广阔。

在磁记录材料方面，磁性纳米粒子可望取代传统的微米级磁粉，Fe s O4超细粉体由于化学稳定性好，原料易得，价格低廉，已成为无机颜料中较重要的一种，被广泛应用于涂料，油墨等领域；而在电子工业中超细F63O4是磁记录材料，用于高密度磁记录材料的制备；它也是气、湿敏材料的重要组成部分。

超细Fe3O4粉体还可作为微波吸收材料及催化剂。

另外使用超细Fe3O4粉体可制成磁流体。

Fe s O4纳米粒子的制备方法有很多，大体分为两类：一是物理方法，如高能机械球磨法，二是化学方法，如化学共沉淀法、溶胶-凝胶法、水热合成法、热分解法及微乳液法等。

但各种方法各有利弊；物理方法无法进一步获得超细而且粒径分布窄的磁粉，并且还会带来研磨介质的污染问题；溶胶-凝胶法、热分解法多采用有机物为原料，成本较高，且有毒害作用；水热合成法虽容易获得纯相的纳米粉体，但是反应过程中温度的高低，升温速度，搅拌速度以及反应时间的长短等因素均会对粒径大小和粉末的磁性能产生影响。

本实验是采用共沉淀法（将沉淀剂加入Fe2^^ Fe3+混合溶液中）制备纳米Fe3O4颗粒。

该制备方法不仅原料易得且价格低廉，设备要求简单，反应条件温和（在常温常压下以水为溶剂）等优点。

二、实验目的1、了解用共沉淀法制备纳米四氧化三铁粒子的原理和方法。

2、了解纳米四氧化三铁粒子的超顺磁性性质。

3、掌握无机制备中的部分操作。

三、实验原理采用化学共沉淀法制备纳米磁性四氧化三铁是将二价铁盐和三价铁盐溶液按一定比例混合，将碱性沉淀剂加入至上述铁盐混合溶液中，搅拌、反应一段时间即可得纳米磁性F®O4粒子，其反应式如下：Fe +2Fe +8OH------------ e3O4+4H2O四、仪器与试剂烧杯、FeC2 4H2O、FeCb、氢氧化钠、柠檬酸三钠。