四氧化三铁研究小论文剖析.docx

四氧化三铁研究小论文材料科学基础（1）小组唐新凯 钟昊东 杨岳洋 武俊男 张千一 祝健一、四氧化三铁结构分析为了能够清楚地了解四氧化三铁的结构，我们先介绍尖晶石结构。（一）常式尖晶石和反式尖晶石结构我们从原子的密堆积结构出发进行讨论。尖晶石的结构可以看作O2-作立方最密堆积，Mg2+有序的占据1/8的四面体空隙，Al3+有序的占据1/2的八面体空隙，剩余的7/8四面体空隙和1/2八面体空隙没有离子占据。尖晶石结构如下所示。图（a）表示这个立方晶胞可以划分成8个小的立方单位，分别由4个I型和4个II型小单位拼在一起。I和II两种小单位拼在一起的情况示于图（b）中。由图中可以看出，每个小单位都有4个O2-离子，晶胞中O2-的数目是32（=4×8）个。Mg2+处于I型小单位的中心及其一半的顶点，晶胞中Mg2+的数目是8（=4×1/4×4+1×4）个。Mg2+呈四面体配位，即占据O2-的密堆积的四面体空隙。每个II型小单位中有4个Al3+，晶胞中Al3+的数目是16（=4×4）个。Al3+呈八面体配位，即占据O2-的密堆积中的八面体空隙。根据正离子占据空隙位置的不同，可以把组成为AB2O4的化合物分为常式尖晶石和反式尖晶石两类。为了表明离子占据的空隙，[A]t表示A离子占据四面体空隙，[A]o表示A离子占据八面体空隙。在常式尖晶石中，八面体空隙由三价正离子占据，四面体空隙由二价正离子占据。但在反式尖晶石中，四面体空隙由三价正离子占据，而部分八面体空隙则由二价正离子占据。我们再从投影的角度来看尖晶石的结构。图示出尖晶石的晶体结构，晶胞分成8份。MgO4四面体和AlO6八面体交替地排列，所以每个O2-都为1个四面体和3个八面体所共有。（二）四氧化三铁（Fe3O4）的结构Fe3O4是一种混合价态（Fe(II)/Fe(III)）氧化物。它可以由铁在氧气中加热，或者是将水蒸气通过赤热的铁，或由FeO部分氧化，或由Fe2O3加热到1673K以制得。它具有反式尖晶石结构。尖晶石结构的通式是MIIM2IIIO4，属于立方晶系。反尖晶石Fe3O4的结构式可表示[FeIII]t[FeIIFeIII]oO4。晶体由O2-的立方最密堆积所构成，Fe3+的一半占据四面体空隙，而全部的Fe2+和另一半Fe3+则分布在八面体空隙的位置上，平均Fe2+和Fe3+各占一半。二、四氧化三铁块状与纳米级颗粒性质差异分析由于科学研究的热点主要集中在纳米级四氧化三铁颗粒的制备与性质，所以我们可以把题目理解为四氧化三铁粒径对于颗粒性质的影响，着重分析纳米级颗粒的优势。（一）四氧化三铁的性质及粒径对颗粒性质的影响[4]黑色的Fe3O4是铁的一种混合价态氧化物，熔点为1597℃，密度为5.17g/cm3，不溶于水，可溶于酸溶液，在自然界中以磁铁矿的形态出现，常温时具有强的亚磁铁性与颇高的导电率。铁磁性和亚铁磁性物质在Curie温度以上发生二级相变转变为顺磁性物质。Fe3O4的Curie温度为585℃。（顺磁性：原子或分子中有未成对电子存在，存在永久磁矩，但磁矩间无相互作用。）此处着重讨论Fe3O4的电磁性质。四氧化三铁晶胞中的A 位置全部被 Fe3+占有，而 B 位置却被 Fe2+和 Fe3+平均占有，虽然 Fe2+和 Fe3+两种离子的排序表面上看是杂乱无章的，但是电子却是可以在 Fe2+和Fe3+之间来回跳动的。正是由于电子能够在邻近的 Fe2+和 Fe3+离子之间来回快速的跳跃，因此 Fe3O4具有良好的导电性和强磁性，成为了一种广泛应用的电磁材料。1、电学性质四氧化三铁在常温下表现出良好的导电性，但导电性受四氧化三铁粒径的影响。随着四氧化三铁粒径的减小，相邻原子之间的距离缩小，自由电子的跃迁机会增加，导电率下降。2、磁学性质纳米四氧化三铁特殊的磁性表现为高的矫顽力或者超顺磁性。随着四氧化三铁粒径的减小，其磁性由多重磁区转变为单一磁区，当四氧化三铁的粒径小于其临界尺寸时，则具有超顺磁性，当四氧化三铁的粒径在 70 nm 时具有高矫顽力，具有单畴，当其粒径小于 13 nm 时，矫顽力接近于 0，表示此时的四氧化三铁具有超顺磁性。由于纳米级Fe3O4的优良性质，2013来，有关纳米Fe3O4制备的文献大量涌现，一些新型的制备工艺也不断出现。（二）（尖晶石型）纳米Fe3O4的表征特性与分析：1.热重和差热分析图 1 纳米Fe3O4的 TG-DTA 表征图可以看到，热重曲线出现两个拐点，分别在 280℃与 440℃处。在280℃处的失重率为6.3%，在 440℃的失重率为8%。可以推断出，从室温开始至280℃左右，热重曲线逐渐降低，是由于样品失水导致样品质量逐渐减少造成的，这主要包括样品中物理吸附水与化学吸附水的失去，失水的过程对应 DTA 图上 100℃及 ℃左右的吸热峰；230-