Способ получения магнетита

Изобретение может быть использовано для создания терморегулирующих покрытий. Способ получения магнетита включает осаждение гидроксида железа (II) из сульфата железа FeSO₄ и окисление его нитрат-ионами до магнетита Fe₃O₄ при термостатировании. Термостатирование проводят 0,083-24 часа. Осаждение проводят при температуре 10-22°С, а окисление - при 37-40°С. Изобретение позволяет получить наночастицы магнетита Fe₃O₄ со средним размером от 42 до 81 нм и узким распределением по размерам. 1 табл., 4 пр.

 

Изобретение относится к области неорганической химии, а именно к способу получения магнетита, и может быть использовано для создания терморегулирующих покрытий.

В настоящее время известны различные жидкофазные методы получения наночастиц оксидов железа, обладающие такими преимуществами, как простота исполнения и относительно небольшие энергозатраты при получении. Среди них можно выделить следующие методы: соосаждения, сонохимический, микроэмульсионный, осаждения с последующим термостатированием. Однако в методах соосаждения, сонохимическом и микроэмульсионном, существует ограничение по размерам получаемых наночастиц - не более 40 нм. В связи с этим оптимальным методом получения наночастиц Fe₃O₄ средним размером до 100 нм является метод осаждения с последующим термостатированием.

Известен способ получения закиси-окиси железа путем осаждения соли двухвалентного железа с последующим окислением Fe(OH)₂ сульфатом меди (RU 2390497, C01G 49/08, Способ получения магнетита, опуб. 27.05.2010). Данный способ позволяет снизить энергозатраты и продолжительность синтеза. Недостатком известного способа является загрязнение конечного продукта ионами меди.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ получения магнетита, включающий осаждение Fe(OH)₂ и его последующее окисление NaNO₃ (К. Nishio, М. Ikeda, N. Gokon. Preparation of size-controlled (30-100 nm) magnetite nanoparticles for biomedical applications // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 310. 2007. P. 2408-2410). Данный способ позволяет с увеличением температуры термостатирования от 4 до 37°С получать наночастицы размером от 102 до 31 нм соответственно. Недостатком известного способа является большая ширина распределения получаемых наночастиц по размерам.

Задачей предлагаемого изобретения является получение наночастиц Fe₃O₄ со средним размером от 42 до 81 нм, узким распределением их по размерам (стандартное отклонение размера - не более 19,1% от среднего размера).

Поставленная задача решается способом получения магнетита, включающим осаждение гидроксида железа (II) из соли железа (II) и окисление его нитрат-ионами до магнетита Fe₃O₄ при термостатировании. При этом термостатирование проводят 0,083-24 часа, при этом осаждение проводят при температуре 10-22°С, а окисление при 37-40°С. Способ получения магнетита позволяет получать наночастицы магнетита Fe₃O₄ со средним размером от 42 до 81 нм со стандартным отклонением размера от 12,4 до 19,1%.

Возможные суммарные реакции, включающие промежуточные стадии окисления Fe(OH)₂ до Fe₃O₄ под действием NO^3-, могут быть записаны следующим образом (1-4):

Общая методика получения наночастиц Fe₃O₄ выглядит следующим образом.

В качестве прекурсора железа использован FeSO₄, осадителя - NaOH, а в качестве окислителя - NaNO₃. Были приготовлены водные растворы FeSO₄ (0.1М) и NaOH (0.02М) (избыточная концентрация [ОН^-]=0.009 моль/л). Через полученные растворы предварительно пропускали азот для удаления, растворенного в воде кислорода. К раствору NaOH был добавлен раствор FeSO₄, при непрерывном барботировании азотом в течение 5-10 минут (рН ~12,5). Далее проводили окисление осадка Fe(OH)₂ при термостатировании. Термостатирование проводят 0,083-24 часа, при этом осаждение проводят при температуре 10-22°С, а окисление при 37-40°С. Полученный нанопорошок Fe₃O₄ был отделен при помощи постоянного магнита, несколько раз промыт дистиллированной водой, после чего был высушен при комнатной температуре.

Рассматриваемое изобретение иллюстрируется нижеприведенными примерами.

Пример 1.

Были приготовлены водные растворы FeSO₄ (0.1М) и NaOH (0.02М) (избыточная концентрация [ОН^-]=0.009 моль/л). Через полученные растворы предварительно пропускали азот для удаления, растворенного в воде кислорода. К раствору NaOH был добавлен раствор FeSO₄, при непрерывном барботировании азотом в течение 5-10 минут (рН ~12.5). Далее проводили окисление осадка Fe(OH)₂ при термостатировании. Полученный нанопорошок Fe₃O₄ был отделен при помощи постоянного магнита, несколько раз промыт дистиллированной водой, после чего был высушен при комнатной температуре. При температуре осаждения 10°С и температуре окисления 40°С при продолжительности термостатирования 5 минут (0.083 часа) получены наночастицы Fe₃O₄ размером 42±8 нм. Рентгеноструктурные исследования нанопорошка, полученного данным методом, показали, что образец представляет собой однофазный Fe₃O₄ со структурным типом шпинели (образец №1).

Пример 2.

При температуре осаждения 10°С и температуре окисления 40°С при продолжительности термостатирования 30 минут (0,5 часа) получены наночастицы Fe₃O₄ размером 55±9 нм. Рентгеноструктурные исследования нанопорошка, полученного данным методом, показали, что образец представляет собой однофазный Fe₃O₄ со структурным типом шпинели (образец №2).

Пример 3.

При температуре осаждения 22°С и температуре окисления 37°С при продолжительности термостатирования 24 часа получены наночастицы Fe₃O₄ размером 70±10 нм. Рентгеноструктурные исследования нанопорошка, полученного данным методом, показали, что образец представляет собой однофазный Fe₃O₄ со структурным типом шпинели (образец №3).

Пример 4.

При температуре осаждения 10°С и температуре окисления 40°С при продолжительности термостатирования 24 часа получены наночастицы Fe₃O₄ размером 81±10 нм. Рентгеноструктурные исследования нанопорошка, полученного данным методом, показали, что образец представляет собой однофазный Fe₃O₄ со структурным типом шпинели (образец №4).

В таблице 1 представлены расчеты средних размеров наночастиц магнетита и стандартное отклонение размера от среднего.

Способ получения магнетита, включающий осаждение гидроксида железа (II) из FeSO₄ и окисление его нитрат-ионами до магнетита Fe₃O₄ при термостатировании, отличающийся тем, что термостатирование проводят 0,083-24 часа, при этом осаждение проводят при температуре 10-22°С, а окисление при 37-40°С.