Microwave-hydrothermal Synthesis Of Nanometer-sized Colloidal Particles Of Hematite

Huang Li, Han Xiaobin, Hui Zheng
(Physics Department,Jilin University, Changchun,China 130023)

Abstract For the first time, the use of microwave-hydrothermal processing in catalyzing the synthesis of manometer-sized colloidal particles of hematite is reported in this paper. Cubic monodispersed hematite colloidal particles(～40nm) were prepared by forced hydrolysis of solution of FeCl₃.
Keywords Microwave, Hydrolysis a-Fe₂O₃, Nanometer particles
摘要 本文利用微波—水解法制备了立方体、均分散的纳米级a-Fe₂O₃胶体粒子(～40nm)，找到了较好的实验方法与制备条件
关键词 微波 水解 a-Fe₂O₃ 纳米粒子

微波—水解法制备a-Fe₂O₃无机纳米粒子^*

黄丽 韩晓斌 回峥
(吉林大学物理系 长春 130023)

    微波3/4水解法是在微波场的作用下，强迫金属盐水解的一种方法。它较常规加热方法有着穿透性好、效率高等优点。这种方法曾用于陶瓷粉末和亚微细粒的制备^[1,2]。我们用微波-- 水解法制备了纳米级a- Fe₂O₃胶体粒子。实验发现，常规加热方法下所采用的酸化的铁盐溶液,在微波-- 水解法下,却未能取得理想的结果。相反，在不加酸的条件下，我们获得了很好的纳米级a-Fe₂O₃胶体粒子。且产物的形成速率较常规加热方法提高了4.8倍。

图1 the transformation from Fe(H2O)63+ to Fe2O3·xH2O

1 原理
    过渡金属水合氧化物(M₂O₃ ·xH₂O)从水溶胶中沉淀过程是一个复杂的多途径反应过程，各种反应途径又是同时存在且密不可分的。从Fe(H₂O)₆³⁺到Fe₂O₃ ·xH₂O的变化过程可由图解说明^[3]:
    在FeCl₃水溶液中，Fe³⁺以Fe(H₂O)₆³⁺的形式存在，当微波作用于此溶液时，水分子发生极化，这将使六个水分子中的羟基更易于靠近被它们所包围着的带正电荷的Fe³⁺(如图2所示)，因而FeCl₃水溶液的水解速率会大为提高。而且，由于是六个水分子包围一个Fe³⁺，所以从理论上讲，水解速度应提高至常规加热方法的六倍左右。
2 实验
   分别以三氯化铁、盐酸为原料，用二次蒸馏水配制2.5M的FeCl₃溶液100ml、0.2M的HCl溶液500ml。
    (1). 在加酸的条件下:

图2 Molecule models of [Fe(H2O)6]3+ in the solution of FeCl3
2(A).with conventional hydrothermal technique		2(B).with microwave-hydrothermal technique

    分别移取1ml2.5M的FeCl₃溶液和2.5ml0.2M的HCl溶液至一圆底烧瓶内，用二次蒸馏水配制酸化的1× 10^-2M的FeCl₃溶液250ml(HCl溶液的配比参照常规加热方法)。
    (2). 在不加酸条件下:
    移取1ml2.5M的FeCl₃溶液，用二次蒸馏水配制1× 10^-2M的FeCl₃溶液250ml。
    实验使用装有回流装置的微波炉，所用微波频率为2.45GHz，微波输出功率稳定在750W。
    观察溶液颜色和透明程度的变化，适时进行取样。样品用XRD分析其相组成，用SEM观察微粒的形貌和大小。3 结果与讨论
    (1). 在加酸的条件下,所得到的a-Fe₂O₃胶体粒子中含有大量的b-FeOOH的粒子和不定形粒子，在此不予讨论。
(2). 在不加酸的条件下,所得实验结果见下表:
Table 1. Analysis of particles produced without the solution of HCl

图3(A)、3(B)、3(C) X-ray diffraction patterns of sample 1、2、3

图3(A)、3(B)、3(C)是样品1～3的X-射线衍射图。从图中可看出，反应时间愈长，a-Fe₂O₃的特征峰愈明显，且b-FeOOH的特征峰逐渐消失。图3(C)中已不存在b-FeOOH的特征峰，通过对照PDF卡片，可确定a-Fe₂O₃已经形成完全。

图4 SEM photograph of sample 3

图4是样品3的电镜照片,图中是均匀分布的立方体a-Fe₂O₃纳米粒子,平均粒径为40nm,b-FeOOH的粒子、不定形粒子完全不存在。
4 结论
    通过常规加热方法与微波¾ 水解法的对比(见表2),我们得出:
Table 2. Analysis of hematite particles produced by microwave-hydrothermal and conventional hydrothermal techniques
    (1)介质酸度对Fe₂O₃胶体粒子的形成有着重要的影响。在常规加热方法下，适量加入HCl溶液其目的是控制晶粒的生长。在微波的作用下，FeCl₃溶液的水解速度较常规加热方法快得多，FeCl₃水解后本身即能创造一定的长尺寸。故而微波-- 水解法下无需使用酸化的FeCl₃溶液。酸性环境。此外，微波有很强的穿透性,它能均匀地作用于溶液中，使大量晶粒迅速形成，这将有效控制晶粒的生

techniques	CFe3+ (M)	CH+ (M)	Time (h)	Temp. (℃)	Size (nm)	Shape	crystal habit
microwave-hydrothermal technique	1×10-2	0	10	105	40	Cubic	a-Fe2O3
conventoinal hydrothermal technique	1×10-2	2×10-3	48	100	40	Cubic	a-Fe2O3

    (2)常规加热方法所需时间是微波3/4水解法的4.8倍。我们认为，虽然微波场中的水解温度有所提高，有利于反应的进行，但由于温度提高得并不显著，所以最重要的原因在于微波场对水分子的极化作用，具体模型和解释已在原理部分给出。
    我们相信,随着研究的不断深入,微波3/4 水解法将为纳米材料的制备提供又一高效、便捷的新途径。
5 参考文献
[1] Sridhar K, Rustum R and LiMater Q H. Res. Bull.1992,27:1393
[2] Dong Daichuan, Hong Pinjie et al. Shushan Mater. Res. Bull. 1995,30(5):531
[3] 张岩. 吉林大学博士学位论文集 1994,6
[4] 阚世海 张岩等. 高等学校化学学报, 1993,14(7):1013

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98-07-13收稿.*国家自然科学基金资助项目