Fe3O4@SiO2磁性纳米粒子的制备及表征
2023-04-03
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第37卷第2期 兰州理工大学学报 Vo1.37 No.2 2011年4月 Journal of Lanzhou Universky of Technology Apr.2011 文章编号:1673—5196(2011)02—0022-04 Fe3o4@SiO2磁性纳米粒子的制备及表征 杜雪岩 ,马 芬b ,李 芳 ,徐 凯L (I.兰州理工大学甘肃省有色金属新材料重点实验室,甘肃兰州730050;2.兰州理工大学有色金属合金及加工教育部重点实验室,甘肃 兰州730050) 摘要:用多元醇还原法制备出平均粒径为6.0 nm的Fe。0t磁性纳米粒子,并用盐酸溶液(1 mol/L)对其进行酸化 处理,然后利用反相微乳液法,在0P_1O/正丁醇/环己烷/浓氨水反相微乳体系中制备出Fe3O @SiOz磁性纳米复 合粒子.利用X射线衍射(xRD)仪,透射电子显微镜(TEM),傅立叶一红外光谱仪(Fr_IR)和振动样品磁强计 (VSM)对复合粒子进行表征.结果表明:siOz成功包覆在FesO 磁性纳米粒子表面,制得的复合粒子平均粒径为 25.0 nm,呈球形且分散均匀,包覆后饱和磁化强度有所下降,但矫顽力仍趋近于零,显示超顺磁性. 关键词:反相微乳液;Fe3O4纳米粒子;Fe3O4@SiO2复合粒子 中图分类号:TB33;TM271 文献标识码:A Preparation and characterization of Fe3 04@SiOz magnetic nanoparticles DU Xue-yan 。,MA Fen ’ ,LI Fang ,XU Kai '。 (1.State Key Laboratory of Gansu Advanced Nonferrous Metal Materials,Lanzhou Univ.of TeclL,Lanzhou 730050,China;2.Key Labo— ratory of Nonferrous Metal Alloys,The Ministry of Education,1.anzhou Univ.of Teeh.,Lanzhou 730050,China) Abstract:The Fe3 04 magnetite nano-particles with average particle size of about 6.0 nm were prepared with polyol reduction method.Then the magnetite nanoparticles were acidized with hydrochloric acid solu— tion(1 moi/I ).Finally,Fe3 O4@Si02 composite nanoparticles were synthesized in OP-10/n-butanol/cy— clohexane/ammonia reverse micro-emulsion System.The composite nanoparticles were characterized with X-ray powder diffraction(XRD),transmission electron microscopy(TEM),Fourier transform infrared spectroscopy(FT—IR),and vibrating sample magnetometer(VSM).The result showed that the surface of Fea 04 nanoparticles was successfully coated by the silica. rhe Fe3 O4@SiO2 nanoparticles with average size of 25.0 rim,were spherical in shape and dispersed more uniformlly.As the coating had performed。the specific s ̄turation magnetization decreased to some extent,but the coercivity was still close to zero,mani— festing their superparamagnetic properties. Key wortks:reversed micro-emulsion;Fe3 O4 nanoparticles;Fe3 O4@SiO2 composite nanoparticles 近年来,Fe。O 磁性纳米粒子由于同时具备磁 定型SiOz对FesO 磁性纳米粒子进行表面包 性颗粒和纳米颗粒的双重优势,已经广泛应用于靶 覆[9 ,SiOz包覆层增加了其化学稳定性,同时SiO 向药物载体、细胞分离、核磁共振、免疫分析、核酸杂 的无毒性和表面羟基的存在提高了其生物相容 交等生物医学领域[1 ].同时,这种超顺磁性材料在 性口 ],拓宽了Fe。O 磁性纳米粒子在生物、催化 催化领域也具有很好的应用前景,可以作为液相小 等领域的应用. 尺寸催化剂的催化载体[5 ],改善催化剂分离难的状 本文参照JIN Xie等人__1。]的多元醇还原法,用 况.但是Fe。O 磁性纳米粒子易氧化,比表面积较 1-2十二烷二醇代替卜2十六烷二醇制备出Fea 0 高,具有强烈的聚集倾向[83,难以直接应用.采用无 磁性纳米粒子,该法制备的磁性粒子纯度高,粒度 细,单分散,稳定性好.由于加入了表面活性剂油酸, 收稿日期:2010-1l-23 其极性羧基端直接吸附于Fe。O 颗粒表面,非极性 基金项目:国家自然科学基金(51061009) 的碳链端伸入水相中,可以阻止Fe。O 微粒的聚集 作者简介:杜雪岩(1971一),男,甘肃白银人,副教授 长大,但由于表面的疏水性,在水中易沉降,难分散, 第2期 杜雪岩等:Fe3 0 @SiO。磁性纳米粒子的制备及表征 ・23・ 制得的Fe3O 纳米粒子表现亲油性,WANG等 人[14 运用油酸与 环糊精的主客体相互作用,将粒 子由油溶性转化为水溶性;SUN等人[1 ]用11一胺基 十一酸四甲基铵置换Fe。O 表面的油酸,油胺实现 电荷的性质,使其由亲油性转化为亲水性. 1.4 Fe3o4@Sio2纳米粒子的制备 以OP-10、正丁醇、环己烷和浓氨水分别作为表 面活性剂、助表面活性剂,油相和水相,按一定的比 例混合配成微乳液体,剧烈搅拌,再依次加入酸洗处 理过的Fe。O 胶体溶液和TEOS.反应完成后使用 体积比为75 的丙酮水溶液破乳,静置分层后,去 了纳米粒子的水溶性.本文在包覆前用盐酸溶液(1 oolt/L)处理Fe。O 纳米粒子,然后采用反相微乳液 法,在OP-1 0/正丁醇/环己烷/浓氨水反相微乳体系 中以Fe。O 为种子,用氨水催化正硅酸乙酯水 解E16-17],合成了粒径均匀的Fe。O @SiO2磁性纳米 粒子,并对其进行了结构和磁性能的表征. 除上清液,对下层沉淀物用乙醇清洗数次,最后得到 Fe。O @siOz磁性纳米复合粒子. 2结果与讨论 2.1Ⅺ 分析 1实验 1.1试剂与仪器 图1为Fe3O 纳米粒子和Fe。O @SiO2复合纳 米粒子的Ⅺ 图谱,将图1中a线与Fe3O 的粉 所用主要试验试剂有:乙酰丙酮铁(新泽西美国 生产,分析纯)、l一2十二烷二醇(东京化成工业株式 会社生产,分析纯)、无水乙醇(天津市化学试剂二厂 末衍射卡(JCPDS,75—1610)对比,出现了明显的 (220)、(311)、(400)、(422)、(511)、(440)等特征衍 射峰,可知磁性纳米粒子物相为反尖晶石结构的的 Fe。0 ,峰型尖锐,说明结晶完整.而从图1中b线 上可发现在2e为25。附近有一较宽的弥散峰,说明 生产,分析纯)、油酸(天津市恒兴化学试剂制造有限 公司生产,分析纯)、油胺(东京化成工业株式会社生 产,分析纯)、二苄醚(Alfa Aesar A Johnson Mat— they Company生产,分析纯)、乳化剂OP-10(天津 有非晶态的物质SiOz的存在,其余衍射峰则和 。O 的特征峰对应,表明包覆后FesOt纳米粒子 市光复精细化工研究所生产,分析纯)、正丁醇(天津・ Fe但峰强有所减弱,这是因为表 市科密欧化学试剂有限公司生产,分析纯)、氨水(白 的晶体结构没有改变,银化学试剂厂生产,分析纯)、环己烷(天津市巴斯夫 化工有限公司生产,分析纯)、TEOS(上海试剂一厂 生产,分析纯). 面包覆了SiO2造成的. 实验仪器有:FA2104N型分析天平(上海精密 科学仪器有限公司生产),78-1型磁力加热搅拌器 (江苏省金坛市荣华仪器制造有限公司生产),金怡 牌KDM型调温电热套(江苏省金坛市医疗仪器厂 生产),DZF-6050型真空干燥箱(上海精密实验设备 有限公司生产). 1.2 Fe3‘)4纳米粒子的制备 将0.703 5 g的Fe(acac)3,2.079 8 g的1—2十 二烷二醇置于250 mI 四口圆底烧瓶中,再依次加 入40.0 mL无水乙醇,2.0 mI 油酸,2.0 ml 油胺 和20.0 mI 二苄醚,在氩气保护下磁力搅拌至溶 解.然后把混合溶液加热到200℃并保温2 h,继续 图1 Fe3o,和蛋 tides @S [)l纳米粒子的ⅪRD图谱 Fig,1 XRDimtter ̄ofI.白 and o|@Sl na咖pa 加热到回流温度,保温1 h.关闭加热源在室温下冷 却至黑褐色产物,然后用无水乙醇清洗产物数次得 到亲油性的FesO 纳米粒子. 1.3 o|纳米粒子的酸洗处理 2.2丌-m分析 图2是Fe3O 纳米粒子和FeaOt@SiO2复合纳 米粒子的红外光谱图,图2中a线上577.3 eIb'l叫处 对应Fe3O4的FrO特征峰,.3 422.1 em 和 称取0.023 2 g的Fe。O 纳米粒子,加入到5.0 mI 的HC1(1 mol/I )溶液中,超声振荡一定时间 1 629.7 cm叫处对应其表面羟基一OH的伸缩振动 峰和弯曲振动峰.而从图2中b线上看到,Fe3O 表 面包覆了SiO2后Fe—O特征峰从577.3 cm- 处移 到了586.8 am 处,发生了“红移”.另外,795.4 后,用离心机将粒子分离出来,分散在去离子水中. 通过酸洗处理可以改变Fe。O 纳米粒子表面所带 ・24・ 兰州理工大学学报 第37卷 cm 处和468.3 cm 处分别对应S._O的对称伸 种子在包覆之前出现了失稳和团聚现象,从而出现 缩振动和弯曲振动,而在1 097.2 crn叫处出现的新 Si02包覆多个Fes Ot粒子的情况.随着TEOS量的 的吸收谱带是Si—O的反对称伸缩振动谱带. 减小,从图3d可见复合粒子分散性有所提高,大小 更加均匀.当摩尔比nF ̄o4:竹 =1;1O时制得的 复合粒子平均粒径在25.0 nm左右,膜厚约为 9.0 nm. \ 2.4 、M分析 褥 摇 图4为Fe3 o4纳米粒子和摩尔比 Fe。o4; 烟 铆窟0s=1:10时制得的Fe3O4@SiO2复合纳米粒子 的磁滞回线.由图4中a线看到,Fe3 o4磁性纳米粒 子饱和磁化强度约为67 A・m /kg,矫顽力趋近于 零,具有良好的超顺磁性.从图4中b线看到SiO。 包裹后饱和磁化强度约为15 A・m /kg,矫顽力基 图2 l 和lb @S 纳米粒子的红外光谱分析 本保持不变仍具有良好的超顺磁性,M 下降是由于 №2 Fr-IR*laeetra of I oJand№O4@S nanopar- 包覆了siO。后,产物中的Fe3Ot的相对含量降低, tides 其次,由于SiOz层的包覆使粒子的粒径发生了变 2.3 rI1 1分析 化,从而导致磁性的变化. 图3a是Fe3O4纳米粒子的TEM图,由图可 见,Fe3O 粒子呈球状,平均粒径在6.0 nm左右, O 6 4 O O O O O 0 O O一 分散性较好.图3b---d是复合粒子的图片,由图可 见,所有的Fe3O 粒子都已经被Si0z包覆,深色部 £ 《 分为Fe。0 纳米粒子,包裹在外层的灰色物质为 SiO。壳层.图3b,c出现了SjO2包覆多个Fe3O 粒 骥 子的情况,这是因为当TEOS的含量过高时,溶液 餐 离子强度增大且粒子表面电位降低[”],使得Fe。O 磁场强度/(x 10 A・m。。) 图4 Fe3O4和Fea @S 02复合纳米粒子的磁滞回线 Fi.g4 Hyster ̄is loops of Fe304and o|@Si02 aanop- articles 3结论 1)采用多元醇还原法制备出油溶性的Fe。O (a)Fe3O4 纳米粒子,粒子近似球形,分散性较好,粒径分布均 匀,大小约为6.0 nm.矫顽力趋近于零,显示超顺磁 性. 2)对制得的Fe3Ot纳米粒子进行酸化处理,使 其转变为亲水性粒子,然后采用OP.1O/正丁醇/环 己烷/浓氨水反相微乳体系成功制备出核壳结构的 Fe。O @SiOz复合纳米粒子,粒子形貌光滑,呈球形 且分散均匀,大小约为25.0 nm.矫顽力不变趋近于 零,仍然显示超顺磁性. 图3 Fe3O4和Fe3O4@Si02纳米粒子的TEM图谱 致谢:本文得到兰州理工大学博士基金项目 Fig.3 TEM.Ⅲ翰gesofFe304and 04@SOmm呷即 (S1301200602)的资助,在此表示感谢. 第2期 口 ] ] ] 口 ] ] ] ] ] 杜雪岩等:Fle3 0t@SiOz磁性纳米粒子的制备及表征 ] ・25・ [1O] SANTRA、S。TAPEC R,THEOD0ROPOUI aU N。et a1. 参考文献: M0RNET S,vA R S,GRA F,et a1.Magnetic nan- Synthesis and characterization of silia-coatecd ion roxide tllfn.. oparticles in microemulsion,the effect of norifonic surfactants opartide designformedicald.阻-gnosis andtherapy[J].JM8一 ter Chem,2004,14(14):2161-2175. 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