Morphology and Magnetic Properties of Fe3O4

Nanoparticles Synthesized by a High Temperature Decomposition Method

Bin Du, Xue-gang Yu, Ke-zheng Chen *

College of Materials Science and Engineering, Qingdao University of Science and Technology，Qingdao China, 266042

Email：dubin106@yahoo.com.cn

Abstract: Fe3O4 nanoparticles with different morphologies are synthesized by a high temperature decomposi-tion method. Different surfactants, such as sodium dodecyl sulfate (SDS), polyvinylpyrrolidone (PVP) and cetyltrimethyl ammonium bromide (CTAB), were used as the capping agents in the reaction. The structure and morphology of the products are characterized by X-ray diffraction (XRD) and transmission electron mi-croscopy (TEM). The corresponding magnetic properties are measured by magnetic property measurement system (MPMS).

Keywords: Surfactant; high temperature decomposition method; magnetic property

高温分解法制备不同形貌四氧化三铁其及磁性能研究

杜 斌，于薛刚，陈克正*

青岛科技大学材料科学与工程学院，青岛，中国，266042

Email: dubin106@yahoo.com.cn

摘 要：以六水化氯化铁(FeCl3·6H2O)和油酸钠(NaOL)为原料，在反应体系中分别加入十二烷基硫酸钠(SDS)、聚乙烯吡咯烷酮 (PVP)、十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)为表面活性剂，采用高温分解法制备不同形貌的纳米四氧化三铁粒子。采用 X 射线衍射仪、透射电子显微镜，对产物进行了结构与形貌表征，并对产物进行磁性能测试。

关键词：表面活性剂；高温分解法；磁性能

1 引言

磁性四氧化三铁在高密度磁记忆存储媒介、分子

吸附、电化学材料、变阻器和太阳能转化等领域有广

泛的应用前景 [1-2]。自 60 年代以来，人们先后研制出

四氧化三铁磁性流体[3-4]、金属磁性流体、Co-Fe3O4磁

性流体[5]，随着磁性微球药物和磁流体的进一步开发

应用，四氧化三铁的制备方法和性能研究越来越得到

人们的重视。合成不同尺寸与形貌的磁性四氧化三铁

对于其应用极为关键[6-7]。然而当前利用高温分解法所

制备的四氧化三铁纳米颗粒的形貌相对单一，主要为

球形或类球形。本文通过在四氧化三铁制备体系中添

加不同表面活性剂制备了不同形貌的四氧化三铁，并

对其磁性能进行了研究。

2 实验部分

2.1 原料与仪器

六水化氯化铁(FeCl3·6H2O)、油酸钠(NaOL)、十

八烯(C18H36)、十二烷基硫酸钠(SDS)、聚乙烯吡咯烷

酮(PVP)、十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)，所用试剂

均为分析纯。

电子天平，BS224S 型，北京赛多利斯仪器有限公

司；电热套，DRT-BXA 型，郑州城科化工贸有限公

司；X 射线衍射仪，BRUKER AXSD8，日本理学

(Rigaku)株式会社；透射电子显微镜，JEM-2000EX，

日本电子公司(JEOL)。

2.2 实验方法

2.2.1 前躯体油酸铁的制备

取 6.48g 六水化氯化铁、21.9g 油酸钠、48ml 乙醇

和 84ml 正己烷放入三口烧瓶中，60℃恒温水浴中持续

搅拌 6h，然后取出反应溶液放入分液漏斗中，洗涤、静

置，取上层油状液体。

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2.2.2 高温分解法四氧化三铁的制备

在带有搅拌装置、回流冷凝器和温度计的四口烧

瓶中加入 2.1g 前躯体油酸铁（2.2.1 中制备）、10ml

十八烯、0.1g 表面活性剂（SDS、PVP 或 CTAB）、

0.64ml 油酸，在氮气保护气氛中，以一定的速度搅拌

同时升温至 200℃，保温 2h，继续升温至 320℃，保

温 24h。实验结束后取出反应产物，将样品利用磁分

离方式用乙醇、正己烷反复洗涤数次，最终得到黑色

蜡状固体。

3 结果与讨论

3.1 四氧化三铁的物相组成

对加入不同表面活性剂所制备出的样品进行X 射

线衍射分析，结果见图 1。

Fig.1 XRD patterns of Fe3O4 prepared with different surfactants

图 1 加入不同表面活性剂所制备 Fe3O4的 XRD 图

图 1 是加入不同表面活性剂所制得 Fe3O4 产物的

XRD 图谱，各衍射峰的位置与 JCPDS 卡片(卡片号

65-3107)相吻合，表明产品为尖晶石结构的 Fe3O4。图中

衍射峰的的 2θ 值依次为 30.1°、35.5°、43.1°、56.9°和

62.6°，分别对应 Fe3O4 (220)、(311)、(400)、(511)和(440)

晶面。

从图中可以看出，实验产物的 XRD 图谱在 20°附

近有一个很宽的无定形峰，这是因为用油酸铁为前躯

体所制得产物的表面包覆有大量油酸，油酸根与铁离

子具有很强的配位作用，用温和方法无法彻底除去油

酸所导致的。所制得产物可以很好的分散在非极性溶

剂中。

3.2 反应条件对四氧化三铁的形貌影响

3.2.1 表面活性剂对四氧化三铁形貌的影响

在反应体系中，分别不加或加入表面活性剂 SDS、

PVP 、CTAB，所制备四氧化三铁的透射电镜照片如

图 2 所示照片如图 2 所示：性剂 SDS、PVP 、CTAB，

所制备四氧化三铁的透射电镜照片如图 2 所示：

Fig.2 TEM images of Fe3O4, (a) without surfactant; (b) SDS used as

surfactant; (c) PVP used as surfactant; (d) CTAB used as surfac-

tant. 图 2 不加或加入不同表面活性剂(SDS, PVP, CTAB)所制备 Fe3O4

的 TEM 照片

图 2 中(a)、(b)、(c)、(d)分别为在反应体系中不

加表面活性剂、加入0.1g SDS、 PVP、CTAB所制备

出 Fe3O4的形貌。从图 2 (a)可以看出，反应体系中无

表面活性剂时所制备出的 Fe3O4 产物单分散性好，形

状为近球形，粒径集中分布在 10nm 左右，粒径分布

较窄。图 2(b)所示为加入表面活性剂 SDS 所制备出的

Fe3O4粒子形貌，从图中看以看出大部分粒子呈棒状，

部分排列有序，分散性较好，粒径在 50nm 左右。由

图 2(c)可以看出，当在反应体系中加入 PVP 时，所制

备 Fe3O4 粒子大部分为不规则多面体，粒径约为

30-50nm，并且产物中存在少量六面体状粒子，六面

体粒子直径超过 50nm。图 2(d)为加入 CTAB 所制得

的 Fe3O4 粒子的形貌，从图中可以看出粒子分散性较

差，部分粒子呈现四面体或不规则多面体形状，粒径

分布较大。

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从以上 TEM 照片可以看出，反应体系中加入不

同表面活性剂对所制得纳米四氧化三铁形貌影响比较

显著。这是因为当反应体系中无表面活性剂时，粒子

的生长为各向同性，故所得产物大部分为各向同性的

球形。当在反应体系中添加表面活性剂后，表面活性

剂会选择性吸附在特定的晶面上，从而阻碍此晶面的

生长，导致粒子的生长出现各向异性，因而生成产物

粒子为棒状或多面体形状。

3.3 不同形貌 Fe3O4的磁性能分析

图 3 为不加或加入不同表面活性剂所得产物的磁

滞回线。

Fig.3 Hysteresis loops of the products(a)prepared without or with

different surfactants (b) zoom-in view of the low field region

图 3 磁滞回线(a)不加或加入不同表面活性剂所得产物的磁滞回线

(b)磁滞回线局部放大图

图 3 (a)、(b)是不加或加入不同表面活性剂所得产

物在 300K 温度下的磁滞回线和磁滞回线的局部放大

图。从图上可以看出，无表面活性剂或加入表面活性

剂 CTAB、PVP、SDS 制备的产物均为铁磁性物质。

产物的饱和磁化强度分别约为 0.41 emu/g，0.49

emu/g，0.53 emu/g，1.45 emu/g。不加或加入不同表面

活性剂所制得产物的矫顽力相差不大，均为 400Oe 左

右。

由此可以得出，高温分解法所制备的 Fe3O4 具有

铁磁性，在不加或加入不同的表面活性剂的条件下产

物的饱和磁化强度有明显的变化。由此可知，表面活

性剂可以显著地改变产物的铁磁性，这可能是由于纳

米微粒的小尺寸效应以及不同表面活性下得到的颗粒

的粒径与形貌的差别而得到的结果。

4 结 论

由本文所得出在反应体系中加入不同表面活

性剂，可以制备出不同形貌的 Fe3O4 粒子。不加表

面活性剂可以得各向同性的近球形粒子，加入表面

活性剂可以得到棒状或多面体的 Fe3O4 粒子；采用

高温分解法所制备的 Fe3O4 均为铁磁性。在制备过

程中添加表面活性剂可以引起产物饱和磁化率和矫

顽力的显著变化。

References（参考文献）

[1] A. R. Armstrong, P. G. Bruce. Synthesis of layered LiMnO2 as an electrode for rechargeable lithium batteries[J]. Nature, 1996, 381, 499-500.

[2] A. H. de Vries, L. Hozoi, R. Broer. Importance of interatomic hole screening in core-level spectroscopy of Mn transition metal oxides: 3s hole states in MnO[J]. Phys. Rev. B, 2002, 66,035108.

[3] Ying Tingzhao Shen Hui Zhang Yonghu. Preparation and Characterization of Dispersed Fe3O4 Nanoparticles[J].mechanical science and technology,1998,17:147-148 英照廷，沈 辉，章永化，等. 高分散纳米 Fe3O4 颗粒的制备

和表征[J].机械科学与技术，1998,17:147-148. [4] LAI Xin，BI Jian, WANG Jian-hua. Preparation of Fe304 Mag-

netic Fluid[J].Magn Mater Device，2000，3(93): 15-18. 赖 欣，毕 剑，等. Fe3O4磁流体的制备[J]. 磁性材料及器件，2000, 3(93): 15-18.

[5] Xu Jiaoren, Liu Silin, Teng Ronghou, Liu Xuequan. A Study on Preparing Metallic Magnetic Liquid[J]. Function material metal,1997,(6):271-273 徐教仁，刘思林，滕荣厚，等. 金属磁性液体的制取方法研究

[J]. 金属功能材料，1997, (6): 271-273. [6] Ya dong Yin, A. Paul Alivisatos. Review Article Colloidal

nanocrystal synthesis and organic-inorganic interface[J].Nature 2005, 437, 664-670.

[7] Maksym V. Kovalenko, Maryna I. Bodnarchuk, Rainer T. Lechner, et al. Fatty Acid Salts as Stabilizers in Size- and Shape-Controlled Nanocrystal Synthesis: The Case of Inverse Spinel Iron Oxide[J]. J. Am. Chem. Soc., 2007, 129 (20), 6352–6353.

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