李婷^1,2, 裴文利^1,2, 陈婉晴³, 佟冰³
1. 东北大学 材料科学与工程学院, 辽宁 沈阳 110819;
2. 东北大学 材料各向异性与织构教育部重点实验室, 辽宁 沈阳 110819;
3. 抚顺罕王傲牛矿业股份有限公司, 辽宁 抚顺 113125
收稿日期：2021-12-07
基金项目：国家自然科学基金资助项目(52071070, 51871045); 中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(N2017003, N2102004)。
作者简介：李婷(1996-), 女, 福建南平人, 东北大学硕士研究生;
裴文利(1970-), 男, 辽宁沈阳人, 东北大学教授, 博士生导师。

摘要：采用商业磁铁矿铁精粉(Fe₃O₄), 设计了提纯和制备工艺, 成功制备出质量分数为99.5%以上、分散性良好的α-Fe₂O₃纳米粒子，对其提纯、制备工艺及机理进行了深入研究. 结果表明: w_NaOH对除硅效果影响显著, 当w_NaOH为39 %时, 可使原料矿粉中w_SiO2由1.11 %降至0.032%, 得到较纯铁精粉; 随烧结温度的升高, α-Fe₂O₃颗粒的结晶度、形貌特征及磁性能随之发生变化; 当烧结温度为670 ℃时, α-Fe₂O₃颗粒综合性能最佳, 颗粒结晶度较高、分散性较好, 具有亚铁磁性; 通过对氢氧化铁沉淀物加热搅拌时间的控制, 可有效调控α-Fe₂O₃的晶粒尺寸；当搅拌时间为60 min时, 获得分散性好、平均粒径仅为35.3 nm的α-Fe₂O₃纳米粒子.
关键词：α-Fe₂O₃铁精粉纳米颗粒晶粒尺寸分散性
Preparation and Mechanism of α-Fe₂O₃ Nanoparticles by Using Iron Concentrate Powder
LI Ting^1,2, PEI Wen-li^1,2, CHEN Wan-qing³, TONG Bing³
1. School of Material Science & Engineering, Northeastern University, Shenyang 110819, China;
2. Key Laboratory for Anisotropy and Texture of Materials Ministry of Education, Northeastern University, Shenyang 110819, China;
3. Fushun Hanking Aoniu Mining Co., Ltd., Fushun 113125, China. Corresponding author: PEI Wen-li, E-mail: peiwl@atm.neu.edu.cn
Corresponding author: PEI Wen-li, E-mail: peiwl@atm.neu.edu.cn.

Abstract: Using commercial magnetite iron powder(Fe₃O₄), a purification and preparation process was designed, and α-Fe₂O₃ nanoparticles with a mass fraction of more than 99.5% and good dispersibility were successfully prepared. The purification, preparation process and mechanism were studied in detail. The results show that: w_NaOH has a significant impact on the effect of silicon removal, when w_NaOH is 39 %, the w_SiO2 in the raw ore powder can be reduced from 1.11 % to 0.032 % to get more pure iron fine powder. With the increase of the sintering temperature, the crystallization, appearance characteristics and magnetic properties of α-Fe₂O₃ particles have changed. When the sintering temperature is 670 ℃, the comprehensive performance of α-Fe₂O₃ particles is the best, including higher particle crystallinity, good dispersibility and ferrimagnetic properties. By controlling the heating and stirring time of the hydroxide sediment, the grain size of the α-Fe₂O₃ can be effectively regulated. When the stirring time is 60 min, the α-Fe₂O₃ with a high-quality dispersability and a average particle size of only 35.3 nm is obtained.
Key words: α-Fe₂O₃iron concentrate powdernanoparticlesgrain sizedispersion
α-Fe₂O₃纳米材料化学稳定性好^[1], 具有优良的光学、半导体、磁学等性能, 是重要的功能性材料. 作为典型的n型半导体材料^[2], 禁带宽度为2.1 eV, 可吸收波长小于560 nm的太阳光且具有气敏特性, 奠定了α-Fe₂O₃在光催化降解污水^[3]及气体传感器^[4]方面的应用基础.以α-Fe₂O₃为铁源制备LiFePO₄/C锂电池正极材料^[5], 具有安全系数高、优越的比容量和循环稳定性等优势.由于α-Fe₂O₃颜色艳丽、安全无毒、环境友好、生物兼容性好、成本低廉等特性^[6-7], 在颜料^[8]及抗真菌材料^[9]等方面均有应用, α-Fe₂O₃是合成高性能软磁铁氧体的主要原料^[10].α-Fe₂O₃纳米粒子具有重要应用价值和广泛的应用前景^[11-12].
通常α-Fe₂O₃纳米材料的制备方法有干法和湿法: 干法^[13-14]主要包括化学气相沉积、激光气相沉积、固相化学反应法等, 通过干法制备得到的颗粒尺寸大且难以控制; 湿法^[15-17]主要包括水热合成法、溶胶-凝胶法、微乳液法、共沉淀法等, 其中共沉淀法具有制备工艺简单、合成成本低、反应温度较低、产物结晶性好、纯度高等优势而被广泛应用. Lassoued等^[18]通过共沉淀法合成尺寸为21~38 nm的α-Fe₂O₃颗粒, 并证明其具有约2.1 eV的能带间隙及可控磁学性能.鲁秀国等^[19]以氨水为沉淀剂采用简单的化学共沉淀法制备了分散性高、均匀度好的α-Fe₂O₃颗粒, 粒径约为50 ~ 70 nm. 在目前α-Fe₂O₃高纯纳米粒子制备的报道中, Fe源均使用分析纯化学试剂, 如六水合氯化铁、七水合硫酸亚铁等, 合成成本高, 难以实现大规模量产.
铁精粉是铁矿石经破碎、磁选、浮选等工艺处理后获得, 主要成分为Fe₂O₃或Fe₃O₄, 成本低廉、原料丰富、产品质量稳定, 是球团炼铁的重要原料. 采用工业提纯法合成α-Fe₂O₃粉末^[20], 但成品产物粒径分布不均匀、分散性差, 实验缺乏对α-Fe₂O₃粒子形成机理的关注. 铁精矿粉中含有质量分数较高的SiO₂等杂质, 提纯困难, 因此直接利用铁精粉制备纳米级α-Fe₂O₃粉末一直难以应用.
针对上述问题, 采用商业铁精粉为原料, 通过提纯与共沉淀工艺相结合的方法, 直接合成纳米级α-Fe₂O₃, 研究合成工艺对α-Fe₂O₃粒子尺寸、形貌和成分的影响, 揭示实验反应原理及合成工艺对α-Fe₂O₃粒径的影响, 为铁精粉制备纳米级α-Fe₂O₃提供理论和实验依据.
1 实验材料及方法1.1 实验材料实验所用Fe源为商业铁精粉, 铁精粉的XRD及SEM如图 1所示, 经XRD检测得其主要成分为Fe₃O₄.原料铁精粉形状不一, 尺寸不均, 经统计其平均粒径约为33.7 μm. 铁精粉中的杂质及其质量分数如表 1所示.
图 1(Fig. 1)

图 1 铁精粉的XRD，SEM分析及粒径统计Fig.1 XRD, SEM analysis and particle size statistics of iron concentrate powders (a)—铁精粉的XRD图；(b)—铁精粉的SEM图；(c)—铁精粉的粒径统计.

表 1(Table 1)

表 1 铁精粉中的杂质及其含量(质量分数)Table 1 Impurities and their content in iron concentrate powders(mass fraction)? % TFe SiO2 Al2O3 CaO MgO SO42- TiO2 Mn ZrO2 70.15 1.11 0.38 0.27 0.18 0.151 0.06 0.044 < 0.01

表 1 铁精粉中的杂质及其含量(质量分数) Table 1 Impurities and their content in iron concentrate powders(mass fraction)?

铁精粉中的杂质主要包括SiO₂，Al₂O₃，CaO，MgO及SO₄^2-, 其中的主要杂质SiO₂较难去除, 其质量分数为1.11 %.
实验所用材料为氢氧化钠(粒状, 分析纯)、盐酸(分析纯)、碳酸氢氨(分析纯), 国药公司; 去离子水, 沈阳鑫科实验用品有限公司.
1.2 实验方法制备高纯α-Fe₂O₃实验流程如图 2所示. 取60 g铁精粉于球磨机中球磨5 h, 其平均粒径达1 μm左右, 有利于铁精粉与碱液充分接触并反应. 室温下, 在25 mL水中分别缓慢加入8, 12, 14, 16 g的NaOH颗粒, 并充分搅拌, 配制w_NaOH分别为24 %，32 %，36 %，39 %的溶液, 将其分别与5 g超细铁精粉充分混合, 于180 ℃保温3 h碱洗除杂, 冷却至室温并用去离子水充分过滤洗涤, 去除可溶性硅酸盐.将除杂后的铁精粉转移到100 mL玻璃皿中, 加入25 mL盐酸及27 mL水, 于空气气氛下60 ℃恒温搅拌2 h, 形成铁盐溶液. 在铁盐溶液中缓慢加入饱和NH₄HCO₃溶液作为碱源, 调节pH为7.5, NH₄HCO₃与铁盐溶液发生化学反应生成氢氧化铁胶体沉淀物. 将所得氢氧化铁胶体沉淀物于65 ℃恒温搅拌0~1 h, 用去离子水充分抽滤洗涤；用去离子水将样品整理至培养皿中, 于60 ℃鼓风干燥8 h, 此时氢氧化铁胶体沉淀物因部分脱水而形成羟基氧化铁; 将干燥样品充分研磨, 并于管式炉中420 ~ 800 ℃敞口恒温煅烧3 h, 待炉体冷却至室温后将样品取出, 得到纳米级α-Fe₂O₃粉末.
图 2(Fig. 2)

图 2 铁精粉制备高纯α-Fe2O3实验流程Fig.2 Experimental process of preparing high-purity α-Fe2O3 from iron concentrate powders

1.3 材料表征利用EDX4500型X射线荧光检测, Agilent7800型电感耦合等离子质谱仪对粉末样品进行成分定性和定量分析. 采用Smartlab型X射线衍射仪对粉末样品进行物相分析, 采用JSM-7001F型场发射扫描电子显微镜对样品进行形貌分析, 采用EZ-9型振动样品磁强计对Fe₂O₃样品磁性能检测, 采用JSM-6510A透射电子显微镜对样品微观粒径检测.
2 结果与讨论2.1 提纯工艺研究2.1.1 碱洗提纯工艺铁精粉中的杂质以较难去除的SiO₂为主, 在碱洗工艺中, 定量检测不同碱洗条件下铁精粉中SiO₂的剩余含量.铁精粉为5 g, w_NaOH分别为0, 24%, 32%, 36%, 39%时, 铁精粉中的w_SiO2分别为1.11%, 0.21%, 0.15%, 0.045%, 0.032%.可以看出, 铁精粉中w_SiO2随w_NaOH的增加而降低, 这是因为铁精粉中呈酸性的SiO₂与NaOH反应, 生成硅酸盐, 溶解于碱液中, 而铁的氧化物不与NaOH溶液发生反应, 可通过过滤洗涤去除硅酸钠, 达到除硅的目的. 若继续增加w_NaOH, 易造成清洗不当引入多余Na杂质, 降低成品纯度. 因此, 采用w_NaOH为39%时, 可大幅降低铁精粉中w_SiO2.
2.1.2 提纯反应原理铁精粉中的Fe₃O₄不会与NaOH溶液发生反应, 而其中难去除的主要杂质SiO₂在加热环境下会与NaOH溶液发生反应, 生成硅酸钠, 并在搅拌实验条件下, 有利于SiO₂与NaOH溶液充分接触并反应. 反应方程式为
使用去离子水清洗铁精粉, 可洗去可溶性硅酸盐, 去除大量SiO₂，同时，可洗去铁精粉中存在的SO₄^2-. 同样地, 铁精粉中其他固体杂质如Al₂O₃, TiO₂, ZrO₂会与NaOH溶液发生不同程度的反应, 通过后续清洗除杂, 反应式为
在铁盐溶液中加入NH₄HCO₃生成铁的胶体沉淀物的实验步骤中, 控制溶液pH为7.5, 溶液环境pH较低, 无法使Mg离子产生沉淀, 因此Mg元素以MgCl₂形式存在于溶液中.由于大量Cl离子的存在, 反应生成较多NH₄Cl, 其对Mn, Ca的氢氧化物具有溶解作用, 反应式为
通过抽滤洗涤, 可将氢氧化铁胶体沉淀物与MgCl₂，MnCl₂，CaCl₂分离, 达到去除Mg，Mn，Ca的目的.
铁精粉经加碱除杂、充分清洗、溶成铁盐、沉淀、抽滤洗涤、60 ℃干燥、烧结等步骤后得到α-Fe₂O₃, 对得到的α-Fe₂O₃样品进行X射线荧光定性分析, 详见表 2. 结果表明, 经过实验流程制备得到的α-Fe₂O₃样品与原料铁精粉相比, 已经减少了Mg, Ca, SO₄^2-, Mn杂质.同时还对该样品进行化学元素定量检测, 并与现行的国标GB/T 24244—2009 《铁氧体用氧化铁》^[21]中的YHT5牌号进行一一对比, 结果表明产品质量完全符合GB/T 24244—2009中YHT5牌号的标准, 结果如表 3所示.
表 2(Table 2)

表 2 α-Fe2O3成品的X荧光定性分析Table 2 X-ray fluorescence qualitative analysis of α-Fe2O3? % Fe2O3 SiO2 Al2O3 TiO2 ZrO2 99.675 0 0.172 6 0.095 3 0.038 1 0.019 0

表 2 α-Fe2O3成品的X荧光定性分析 Table 2 X-ray fluorescence qualitative analysis of α-Fe2O3?

表 3(Table 3)

表 3 产品质量对照Table 3 Product quality comparison w/% 国标YHT5牌号 本实验样品 Fe2O3 ≥98.00 ≥99.53 SiO2 ≤0.040 0.032 CaO ≤0.040 < 0.01 Al2O3 ≤0.080 0.031 MnO ≤0.40 < 0.01 SO42- ≤0.20 < 0.001 Cl- ≤0.25 0.003 TiO2 — 0.003 ZrO2 — 0.003

表 3 产品质量对照 Table 3 Product quality comparison

2.2 合成工艺对粒子形貌、尺寸和性能的影响2.2.1 工艺路线分析在铁精粉制备α-Fe₂O₃的工艺路线中, 出现两个未知成分的中间产物, 即水解沉淀产物及干燥脱水产物, 因此进行XRD分析, 如图 3所示.图中黑色曲线为水解沉淀产物的XRD图谱, 在2θ为30.81°，35.02°，43.04°，57.56°，62.73°处的衍射峰与Fe(OH)₃的标准图谱(JCPDS#22-0346)一一对应, 证明水解沉淀产物为Fe(OH)₃.图中红色曲线为干燥脱水产物的XRD图谱, 可知特征衍射峰在2θ为21.24°，26.34°，36.62°，41.15°，53.18°处, 与α-FeO(OH)标准图谱(JCPDS#17-0536)对应, 表明干燥脱水产物为α-FeO(OH).
图 3(Fig. 3)

图 3 水解沉淀产物和干燥脱水产物的XRD图Fig.3 XRD patterns of hydrolyzed precipitation product and dried dehydration product

中间产物Fe(OH)₃和α-FeO(OH)的TEM如图 4所示.图 4a是水解沉淀产物Fe(OH)₃的TEM, 可知未经热处理的Fe(OH)₃无规则形貌, 有大小不一的团簇分布其中；图 4b是团簇体的高分辨TEM, 发现大团簇由粒径约3~ 6 nm颗粒组成, 结晶性较差.图 4c为干燥脱水产物α-FeO(OH)的TEM, 观察发现, 其以球状团簇的形态存在, 大团簇由许多10 ~ 20 nm的针状α-FeO(OH)组成.图 4d为α-FeO(OH)的高分辨TEM, 可以清楚地看到纳米针状形貌及清晰的晶格条纹.Fe(OH)₃在60 ℃过夜干燥且富含去离子水的条件下, 不断脱水并沿(110)方向排列形成针铁矿α-FeO(OH), 随水分蒸发, α-FeO(OH)不断团聚挤压, 最终干燥成块状固体.将干燥固体研磨成粉末, 通过透射分析可知, 该粉末微观形貌是由许多针状α-FeO(OH)组成的α-FeO(OH)球状团簇.
图 4(Fig. 4)

图 4 中间产物Fe(OH)3和α-FeO(OH)的TEM图Fig.4 TEM image of the intermediate product Fe(OH)3 and α-FeO(OH) (a), (b)—Fe(OH)3; (c), (d)—α-FeO(OH).

通过表征手段及分析, 确定了在由铁精粉合成α-Fe₂O₃过程中产生的两个重要中间产物分别是Fe(OH)₃和α-FeO(OH), 因此, 分析以下铁精粉制备α-Fe₂O₃的工艺路线.
铁精粉经碱洗除杂后, 加入盐酸溶解, 化学反应式为
向铁盐溶液中缓慢加入饱和NH₄HCO₃溶液, 生成水解沉淀产物, 反应式为
抽滤洗涤, 在干燥箱中鼓风干燥, Fe(OH)₂在空气中极易被氧化, 在较短时间内转化为Fe(OH)₃. 过夜干燥生成脱水产物, 反应式为
将研磨过的干燥脱水产物α-FeO(OH)在空气气氛下于420, 550, 670, 800 ℃分别煅烧3 h, 反应式为
2.2.2 烧结温度将研磨过的干燥脱水产物α-FeO(OH)在空气气氛下分别在420, 550, 670, 800 ℃煅烧3 h, 得到了α-Fe₂O₃的XRD，如图 5所示.可知, 经过不同烧结温度得到的产物在2θ为24.14°，33.15°，35.61°，40.85°，49.48°，54.09°，57.59°，62.45°，63.99°处出现的特征衍射峰与α-Fe₂O₃标准图谱(JCPDS#33-0664)十分吻合, 分别对应于(012), (104), (110), (113), (024), (116), (018), (214)和(300)晶面, XRD图中没有出现任何杂峰, 表明所得烧结产物均为单相的α-Fe₂O₃. 在不同烧结温度下，α-Fe₂O₃的XRD谱图对比分析可知, 当烧结温度为420 ℃时, α-Fe₂O₃的衍射峰强度较宽, 表明在该烧结温度下α-Fe₂O₃的晶粒结晶性较差, 随烧结温度的逐步提高, α-Fe₂O₃的各个衍射峰逐渐变得尖锐. 当烧结温度为800 ℃时, α-Fe₂O₃的衍射峰达到最尖锐, 说明在此温度下样品的结晶度为4个温度变量中的最高. 烧结温度的提高有利于α-Fe₂O₃结晶度的提高, 可知, 当烧结温度为670 ℃时, α-Fe₂O₃也具有较好的结晶度.
图 5(Fig. 5)

图 5 不同烧结温度下α-Fe2O3的XRD图Fig.5 XRD patterns of α-Fe2O3 at different sintering temperatures

由图 4c可知, 干燥脱水产物α-FeO(OH)为针形α-FeO(OH)组成的球状团簇, 在高温烧结时α-FeO(OH)团簇不断脱水, 逐渐失去纳米针状形貌, 最后形成α-Fe₂O₃颗粒.
为了探究烧结温度对α-Fe₂O₃形貌的影响, 对经不同烧结温度得到的α-Fe₂O₃进行SEM分析, 如图 6所示.可知, 反应制备的α-Fe₂O₃样品微观形貌均为纳米颗粒. 当烧结温度为420 ℃时, 样品颗粒尺寸较小, 约为190 nm, 可能是由于烧结温度较低, 部分颗粒反应不充分还没有形成完好的晶型，如图 6a所示; 当烧结温度为550 ℃时，不难看出α-Fe₂O₃成晶状态得到改善, 样品颗粒感明显且大小均匀，如图 6b所示; 当烧结温度为670 ℃时, α-Fe₂O₃样品整体形貌好, 平均粒径增大至238 nm, 颗粒尺寸均一性好, 具有较好的分散性，如图 6c所示; 当烧结温度达到800 ℃时, α-Fe₂O₃纳米颗粒尺寸进一步增大, 约为290 nm, 且晶粒之间出现粘连现象, 可能是由于反应温度过高导致α-Fe₂O₃颗粒之间发生团聚烧结, 如图 6d所示.
图 6(Fig. 6)

图 6 不同烧结温度下α-Fe2O3的SEMFig.6 SEM images of α-Fe2O3 at different sintering temperatures (a)—t=420 ℃; (b)—t=550 ℃; (c)—t=670 ℃; (d)—t=800 ℃.

不同烧结温度下α-Fe₂O₃的室温磁滞回线如图 7所示, 可知在-1 591.6 ~1 591.6 kA/m外磁场施加范围下, 不同烧结温度α-Fe₂O₃样品的饱和磁化强度均没有达到饱和状态, 这与α-Fe₂O₃的磁性能一致^[22]. 可知, 4个温度下烧结得到的α-Fe₂O₃在室温下均呈现弱铁磁性, 具有一定的矫顽力(H_c).
图 7(Fig. 7)

图 7 不同烧结温度下α-Fe2O3室温磁滞回线Fig.7 Room temperature hysteresis loop of α-Fe2O3 at different sintering temperatures

当烧结温度为420 ℃时, α-Fe₂O₃的矫顽力为25.5 kA/m.随着烧结温度的升高, 样品的矫顽力呈增大趋势, 当烧结温度为550，670 ℃时, α-Fe₂O₃的矫顽力分别为61.0，87.3 kA/m. 当烧结温度为800 ℃时, α-Fe₂O₃的矫顽力增大到109.6 kA/m, 矫顽力较高, 这可能是由于在较高的烧结温度下, 颗粒长大引起矫顽力增大. 相关研究表明, α-Fe₂O₃的磁性能受样品形貌、尺寸大小及晶体结构的影响^[22-24].
通过讨论不同烧结温度对α-Fe₂O₃样品结晶度、微观形貌及磁性能的影响, 当烧结温度为670 ℃时, 样品为单相α-Fe₂O₃且结晶性较高, 颗粒尺寸均匀、分散性好、具有亚铁磁性, 矫顽力为87.3 kA/m. 经检测, 在670 ℃烧结3 h后得到α-Fe₂O₃, w_TFe为69.67 %, 即w_α-Fe2O3为99.5%.
虽然颗粒具有较好分散性和尺寸均匀性, 但晶粒平均粒径较大, 为238 nm, 因此对如何减小α-Fe₂O₃晶粒尺寸进行深入探讨.
2.2.3 水解沉淀产物搅拌工艺的探究将得到的水解沉淀产物分别恒温加热搅拌0，20，40，60 min，经洗涤、干燥后于670 ℃烧结3 h，将得到的α-Fe₂O₃样品进行透射电镜分析, 结果如图 8a~8d所示. 可知, 沉淀物经不同搅拌时间并烧结后得到的α-Fe₂O₃纳米颗粒在透射电镜下均呈现不规则多边形形貌. 颗粒总体分散性较好, 部分有轻微团聚现象, 这是因为α-Fe₂O₃纳米粒子尺寸较小, 具有较高表面能, 且粒子具有一定磁性, 导致颗粒之间吸引力增强, 造成部分颗粒团聚. 在高分辨透射电镜下观察图 8d中圈出的颗粒, 即图 8e, 可以看到α-Fe₂O₃颗粒晶格条纹清晰可见, 颗粒结晶性好, 经标定为α-Fe₂O₃的(104)晶面. 对比图 8a~8d可知, 随沉淀物搅拌时间的延长, α-Fe₂O₃晶粒尺寸呈明显减小趋势. 对不同搅拌时间下α-Fe₂O₃纳米颗粒进行粒径统计, 并绘制粒径随搅拌时间的变化, 如图 8f所示.当沉淀产物未经搅拌时, 烧结后α-Fe₂O₃平均粒径为238.2 nm, 且样品的平均粒径随搅拌时间的增加而下降, 当搅拌时间为60 min时, 纳米粒子平均粒径仅为35.3 nm. 可见随搅拌时间的延长, 烧结的α-Fe₂O₃平均粒径越细小, 这是因为搅拌条件下在溶液边界层产生的剪应力会破碎原有晶体, 不断形成微小粒子, 发生大量的二次成核^[24], 恒温条件为二次成核的晶核结晶提供条件；搅拌有利于防止胶粒团聚现象^[25]的发生, 从而避免α-FeO(OH) 出现较大团簇, 进而降低烧结后α-Fe₂O₃的粒径. 结果表明, 氢氧化铁胶体的搅拌条件对最终α-Fe₂O₃粒子晶粒尺寸有重要影响.
图 8(Fig. 8)

图 8 沉淀物经不同搅拌时间α-Fe2O3的TEM及粒径变化曲线Fig.8 TEM image and particle size change curve of α-Fe2O3 of the precipitate after different stirring time (a)—t=0 min; (b)—t=20 min; (c)—t=40 min; (d)—t=60 min; (e)—t=60 min时的高分辨TEM; (f)—不同搅拌时间下α-Fe2O3的粒径统计.

本文制备出质量分数为99.5%、结晶度好、分散性高、平均粒径35.3 nm且矫顽力为87.3 kA/m的α-Fe₂O₃纳米粒子, 符合制备铁氧体元件的使用需求, 根据报道, 该品质的α-Fe₂O₃在光催化^[26]、锂电池电极材料^[27]、电磁波吸收^[28]等方面具有潜在应用价值.
3 结论1) 通过设计提纯工艺, 有效去除了Mg，Ca，SO₄^2-，Mn杂质, 并大幅降低α-Fe₂O₃成品中SiO₂杂质. 当w_NaOH为39 %时, 可使铁精粉中w_SiO2降低至0.032%.
2) 烧结温度的提高会使α-Fe₂O₃的结晶度、微观形貌及磁性能发生变化. 随温度升高, 颗粒的结晶性逐渐变好, 但高温下颗粒形貌变得团聚烧结, 且样品的剩余磁化强度和矫顽力逐渐增加. 当烧结温度为670 ℃时, 颗粒获得最佳综合性能, 此时样品结晶度较高, 粒径均匀、晶型完整、分散性较好, 且具有亚铁磁性, 其矫顽力为87.3 kA/m.α-Fe₂O₃样品的w_TFe为69.67%, w_α-Fe2O3为99.5%.
3) 对氢氧化铁胶体沉淀物进行搅拌处理, 搅拌条件对最终形成的α-Fe₂O₃的晶粒尺寸有重要影响. α-Fe₂O₃样品的粒径随氢氧化铁胶体沉淀物搅拌时间的延长而减小, 当搅拌时间为60 min时, α-Fe₂O₃纳米颗粒的平均粒径仅为35.3 nm, 同时粒子具有良好结晶性和分散性.
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