【印度新材料案例】康宁反应器合成纳米磁性氧化铁

纳米氧化铁在催化、药物传递、光吸收材料等前沿研究中举足轻重。纳米氧化铁的尺寸大小和粒径分布对材料性能表现非常重要。因此，高效制备一系列小粒径（＜10 nm）且平均粒径均一的纳米氧化铁颗粒变得尤为重要。

康宁反应器印度团队与印度国家理工学院的研究人员合作，使用康宁微反应器合成氧化铁纳米颗粒（NPs），研究了不同操作参数对获得的NP特性的影响。

氧化铁NPs的合成基于使用硝酸铁（III）前体和氢氧化钠作为还原剂的共沉淀和还原反应。使用透射电子显微镜（TEM）、傅里叶变换红外光谱和X射线衍（XRD）分析对氧化铁纳米颗粒进行了表征。

近年来，由于在磁存储设备、生物技术、水净化和生物医学应用领域的广泛应用，如热疗、化疗、磁共振诊断成像、磁感染和药物递送等，对高效合成磁性氧化铁NP的兴趣显著增加。

该工作涉及使用Corning AFR微通道反应器通过共沉淀和还原法合成胶体氧化铁纳米颗粒，氧化铁纳米颗粒的XRD和TEM分析分别证实了其晶体性质和纳米尺寸范围。另外使用电子自旋共振光谱研究了氧化铁纳米颗粒的磁性，康宁微通道反应器制备的氧化铁纳米颗粒表现出超顺磁性行为。

一. 氧化铁纳米颗粒形成的反应原理

1.控制两个反应器中氧化铁纳米颗粒形成的总沉淀还原反应如下：

2.随后，按照以下反应生成氧化铁：

二. 共沉淀和还原反应生成氧化铁纳米颗粒

共沉淀和还原反应是获得氧化铁纳米颗粒的重要化学途径之一。在通过反应器的过程中，九水合硝酸铁（III）被氢氧化钠还原，形成还原铁，随后稳定为氧化铁纳米颗粒。

图1. AFR实验装置

表1 康宁微反应器中的操作条件和结果

在康宁AFR反应器中，氧化铁（磁铁矿Fe₃O₄或磁铁矿γ-Fe₂O₃）在室温下将碱水溶液添加到亚铁盐和铁盐混合物中形成。在反应器中，由于铁还原加速而形成黄棕色沉淀物，得到胶体氧化铁纳米颗粒如图1所示。

在AFR反应器中合成氧化铁纳米颗粒的实验条件Fe(NO₃)₃·9H₂O和NaOH溶液的流速在20- 60 ml/h。对于所有实验，还原剂与前体的摩尔比保持恒定为1:1。

图2. 在AFR中具有不同流量的氧化铁np的紫外吸收光谱™.

实验显示了在AFR反应器中不同流速所对应的结果：

1. 在CTAB表面活性剂存在下获得的λ最大值在480和490 nm之间；

2. AFR中的心形设计使混合更佳；

3. 氧化铁NP的平均粒径通常随着流速的增加而减小，在50 ml/h的流速下获得最小粒径。在60和50 ml/h的较高流速下，分别观察到窄PSD超过6.77−29.39 nm和3.76−18.92 nm，如图3和表1所示；

4. 另一方面，在20 ml/h的较低流速下，在10.1−43.82 nm，如图5和表1所示。从图5B所示的数据也可以确定，由于纳米粒子的引发和成核在50 ml/h下比在60 ml/h时发生得更快。因为颗粒大小取决于纳米粒子在反应器中的成核过程和停留时间，这也通过图5所示的TEM图像得到证实，图5显示制备的颗粒大小在2~8nm；

5. 图3所示数据−对于表1中报告的PSD和平均粒径，可以确定粒径随着进料流速的增加而减小，这归因于较低的停留时间。在反应器中的较大停留时间（较低流速）为颗粒的团聚和晶体生长提供了更多的时间，从而获取更大的颗粒尺寸。图4A、B所示的TEM图像也证实。

   
   

图3. 不同流速下氧化铁纳米颗粒的粒度分布（PSD）

图4：50 ml/h的微反应器中合成的氧化铁纳米颗粒的透射电子显微镜图像

图5：（A，B）使用CTAB作为表面活性剂在AFR中合成的氧化铁NP的TEM图像。