Page 51 - 《精细化工）》2023年第10期

第 10 期 张风帆，等: 磁性纳米片的制备及功能化应用研究进展 ·2129·

的晶面吸附实现了片状结构的合成，通过调节反应 可以快速生成初生的磁铁矿晶核，空化等作用产生
温度、时间、溶剂等条件，可以实现磁性纳米片尺 的强烈的微观湍流和微射流抑制了晶核的快速生
寸的调控。WAN 等 [37] 通过用碳涂层部分还原单分散 长。随着时间的增加，为了降低高表面自由能，悬
赤铁矿纳米片来合成碳涂覆的 Fe 3 O 4 纳米片。通过 浮液中相邻的核会自组装，并定向一个接一个地向
改变反应温度、时间和 NH 4 H 2 PO 4 浓度，可以调整 大晶体的方向附着，从而形成相应的晶体生长机制，
前驱体的形状和大小。YANG 等 [38-41] 采用两步法合 这归因于定向聚集和 Ostwald 熟化的共同作用。这
成高质量 Fe 3 O 4 磁性纳米片，见图 4。磁性纳米片的 些沿[110]或[111]晶向组装的小核通过自发的自组
大小可以通过改变蒸馏水的用量或溶剂的类型来控 装机制，形成较大的 Fe 3 O 4 磁性纳米片 [15,46-47] 。相比
制，一般情况下，蒸馏水越少，纳米片越薄，直径 于超声能量输入，微波辅助工艺具有加热快、产率
越大。此外，使用甲醇作为溶剂，可以进一步增加 高、动力学快等优点，通过微波辅助途径同样可以
纳米片的直径。可以发现，通过前驱体高温还原制 获得六方 Fe 3 O 4 纳米片 [48] 。
备出的磁性纳米片表面多数存在碳包覆，这主要是 超声/微波辅助法操作过程简单、快速、条件温
采用有机物作为还原剂和碳源的结果 [42-43] 。若采用 和，不需要任何模板或表面活性剂。作为反应环境
H 2 等作为还原剂，可以使磁性纳米片表面无碳层包 均匀的放大工艺之一，为大规模制备磁性纳米片提
覆 [44-45] 。 供了更多的机会。整体来看，该方法具有工业化制
备磁性纳米片的潜力，但是特殊的能量输入、耗能

大、产物形状可控性差等问题是限制其工业化应用
的重要因素。

图中 95%和 5%代表体积分数；TOA 为三辛胺
图 4 高温还原法制备磁性纳米片示意图 [38]
Fig. 4 Schematic diagram of magnetic nanosheets synthesized
by high temperature reduction method [38]

高温还原法可以看作是溶剂热法和还原法的结 图 5 超声辅助法制备磁性纳米片示意图 [15]
合。像溶剂热法一样，制备的前驱体具备形状规则、 Fig. 5 Schematic diagram of magnetic nanosheets synthesized
by ultrasonic assisted method [15]
大小均一、分散性好、结晶度高等特点，因而最终
的磁性纳米片产物也具备这种特点。但是多数情况 1.5 沉淀法
下，纳米片表面有碳层包覆，这限制了磁性纳米片 相比于超声/微波辅助法，采用沉淀法制备磁性
的应用范围。经过前驱体合成以及还原两步反应， 纳米片不需要额外的能量辅助，也无需使用任何表
高温还原法存在操作繁琐、周期长、温度高、表面包 面活性剂、模板或特殊设备。图 6 为沉淀法制备磁
覆等问题，适应于实验室小规模制备。 性纳米片示意图 [49] 。铁盐溶液在沉淀剂和稳定剂等
1.4 超声/微波辅助法 反应物的作用下，相邻晶核定向自组装，制备出片
超声/微波辅助法利用超声波或微波产生的高 状的磁性纳米颗粒。氢氧化铁被认为是该反应的重
温、高压等极端条件，促使成核反应发生来制备纳 要前驱体，其层状结构更易于形成片状晶体 [50] 。溶
米粒子。相比上述方法，往往不需要特殊的高温加 液中的溶解氧和快速搅拌过程中引入的空气提供了
3+
2+
热促进反应。这是由于超声/微波辅助对水分子局部 一定的氧化环境，部分 Fe 逐渐被氧化成 Fe ，最
高能量加热或作用，促进传质传热，使晶核生成速 终生成磁性纳米片。这种逐渐氧化避免了快速氧化
率加快。与机械搅拌相比，超声/微波照射下磁铁矿 引起的颗粒聚集和形状变化。氢氧化铁颗粒可逐渐
核的形成速度加快，短时间内形成大量晶核 [64-65] 。 氧化转化为稳定的磁铁矿相。此外，在趋磁细菌可
因而生成的纳米颗粒往往粒径较小，也相对均匀。 以合成微小的磁铁矿的启发下 [67-68] ，采用一种肽来
此外，超声空化使局部高温产生气泡，进一步降低 模拟细菌的沉淀机制，通过在水-空气界面肽的自组
晶核比表面自由能，有利于抑制晶核的聚集 [66] 。图 装，也可合成扩展的、自支撑的、薄的磁性纳米片，
5 为超声辅助法制备磁性纳米片示意图。超声辅助 这也是一种有潜力的制备方法 [51] 。