江佳++王齊耀

摘要：納米Fe2O3是一種理想的功能材料，具有比較獨(dú)特的物理和化學(xué)性能。當(dāng)氧化鐵顆粒尺寸小到納米級(jí)時(shí)，其表面原子數(shù)、比表面積和表面能等均隨粒徑的減小而急劇增加，從而表現(xiàn)出小尺寸效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)等特點(diǎn)，具有良好的光學(xué)性質(zhì)、磁性、催化特性等，在顏料、催化、磁性、傳感器、場(chǎng)發(fā)射、電池等領(lǐng)域得到很廣泛的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：Fe2O3光電化學(xué)性能

1.Fe2O3的基本性能和應(yīng)用領(lǐng)域

1.1Fe2O3的基本性能

Fe2O3按其結(jié)構(gòu)和晶型可分Fe2O3 （αβγ及δ型）幾類[1]。在自然界中，最為常見的為α- Fe2O3和γ- Fe2O3，其他類型的氧化鐵主要通過人工合成得。在所有類型的氧化鐵中，α- Fe2O3的熱穩(wěn)定性最高，是所有含鐵化合物熱力學(xué)轉(zhuǎn)變的最終產(chǎn)物。

α- Fe2O3具有優(yōu)良的物理性質(zhì)和化學(xué)性能。它的相對(duì)分子質(zhì)量為 159.67，形狀一般為紅棕色粉末。密度 5.26g/cm3，熔點(diǎn)較高為 1565℃，即在 1565℃時(shí)才能分解；氧化鐵一般是以礦物質(zhì)的形式存在比如赤鐵礦、赭石。

1.2Fe2O3的應(yīng)用領(lǐng)域

Fe2O3具有優(yōu)良的光學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)和力學(xué)等性質(zhì)，在顏料、涂料、化工、電子及現(xiàn)代科技等領(lǐng)域具有廣泛的用途。同時(shí)，納米科技與技術(shù)的急速發(fā)展使Fe2O3進(jìn)入了一個(gè)嶄新的發(fā)展領(lǐng)域。由于納米氧化鐵粉體的納米效應(yīng)，使其在光學(xué)、磁學(xué)、電學(xué)、模量等方面的性能發(fā)生了很大的優(yōu)化。相比于非納米氧化鐵的粉體相比，納米氧化鐵具有更加良好的耐候性、耐光性、磁性和對(duì)紫外線具有良好的吸收功能。

2.納米Fe2O3制備方法

2.1溶膠-凝膠法

溶膠-凝膠法就是用含高化學(xué)活性組分的化合物作前驅(qū)體，在液相下將這些原料均勻混合，并進(jìn)行水解、縮合化學(xué)反應(yīng)，在溶液中形成穩(wěn)定的透明溶膠體系，溶膠經(jīng)陳化膠粒間緩慢聚合，形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的凝膠，凝膠網(wǎng)絡(luò)間充滿了失去流動(dòng)性的溶劑，形成凝膠。凝膠經(jīng)過干燥、燒結(jié)固化制備出分子乃至納米亞結(jié)構(gòu)的材料。

Woo[2]等通過使用鐵鹽和油酸溶液，采用溶膠-凝膠法合成了納米粒狀的α- Fe2O3粒子，并可通過控制水與油酸的比例來來控制粒子的大小。Dong[3]等則使用環(huán)氧乙烷和氯化鐵作為初始材料，采用溶膠-凝膠法合成了小粒子的α- Fe2O3。Xu[4]等也同樣采用溶膠-凝膠法合成了α- Fe2O3/SiO2負(fù)載催化劑，所得催化劑中α- Fe2O3粒子變小，活性得到顯著的提高。

2.2直接沉淀法

直接沉淀法是制備超細(xì)微粒廣泛采用的一種方法，其原理是在金屬鹽溶液中加入沉淀劑，在一定條件下生成沉淀析出，沉淀經(jīng)洗滌、熱分解等處理工藝后得到超細(xì)產(chǎn)物。直接沉淀法操作簡(jiǎn)單易行，對(duì)設(shè)備技術(shù)要求不高，不易引入雜質(zhì)，產(chǎn)品純度很高，有良好的化學(xué)計(jì)量性，成本較低。缺點(diǎn)是洗滌原溶液中的陰離子較難，得到的粒子粒經(jīng)分布較寬，分散性較差。

通常，可通過在溶液中直接沉淀形成（經(jīng)基）氧化鐵，后在在一定溫度下加熱，便可生成α- Fe2O3可分為酸法與減法兩種。酸法指的是在酸性條件下鐵離子水解形成聚合物，后在較低的溫度下老化形成。而堿法則指的是在械性條件下水解為Fe（OH）3沉淀，后經(jīng)高溫處理，脫水得到。

劉海峰[5]等采用直接沉淀法制備氧化鐵納米體，得了液相均勻沉淀法制備氧化鐵納米粉體的最佳工藝。直接沉淀法的優(yōu)點(diǎn)是可以改進(jìn)水熱法合成粉體中存在的反應(yīng)物不均勻，反應(yīng)速率不可控等缺點(diǎn)，又克服了溶膠-凝膠法使用的金屬醇鹽成本高的缺點(diǎn)。

2.3噴霧熱分解法

噴霧熱分解技術(shù)指的是利用高溫爐將混合物料的溶液（如金屬鹽溶液）霧化，使其在瞬間發(fā)生熱分解、反應(yīng)、合成或鍛燒，獲得超細(xì)粉體及薄膜的氣溶膠技術(shù)，因其顆粒可控、成分均勻及純度較高而得到愈來愈廣的應(yīng)用。

Gratzel[6]等采用超聲噴霧熱分解技術(shù)（USP）合成了介孔α- Fe2O3薄膜，此薄膜具有很好的可見光活性。Akl[7]等使用噴霧熱分解技術(shù)制得了不同結(jié)晶度的α- Fe2O3薄膜并可通過控制溫度和沉積時(shí)間控制α- Fe2O3薄膜的結(jié)晶。Ouertani[8]等同樣采用此方法將氯化鐵水溶液于300℃條件下瞬間霧化，在玻璃載體上經(jīng)過熱分解生成了無定形的紅色薄膜，后經(jīng)真空高溫煅燒后得到較高結(jié)晶度的α- Fe2O3，而最佳的緞燒溫度為350℃。

3.Fe2O3的光催化性能

3.1光催化降解污染物

許宜銘等提出近三十年的研究表明，TiO2作為光催化劑最為合適。但是，目前的光催化效率還較低。相比之下，氧化鐵作為環(huán)保光催化劑的研究則相對(duì)較少.由于氧化鐵能吸收可見光，又廣泛存在于自然界，開展氧化鐵光催化研究十分必要。他們?cè)趯?shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)e2O3的結(jié)晶度越高，光致降解桔紅 II 的活性就越高；催化劑比表面越大，桔紅 II 吸附越多，光反應(yīng)速率也越快，符合半導(dǎo)體光催化的一般規(guī)律。

3.2光分解水制氫或氧

光解水的原理為：光輻射在半導(dǎo)體上，當(dāng)輻射的能量大于或相當(dāng)于半導(dǎo)體的禁帶寬度時(shí)，半導(dǎo)體內(nèi)電子受激發(fā)從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，而空穴則留在價(jià)帶，使電子和空穴發(fā)生分離，然后分別在半導(dǎo)體的不同位置將水還原成氫氣或者將水氧化成氧氣。

鄧久軍[10]提到納米α- Fe2O3無毒，是一種環(huán)境友好型的光解水材料。納米α- Fe2O3理論上能夠達(dá)到的最大光電化學(xué)分解水的效率為12.9%，工業(yè)應(yīng)用時(shí)的效率為10%。且納米α- Fe2O3儲(chǔ)存含量大，價(jià)格也相對(duì)便宜。

現(xiàn)在已有理論的計(jì)算表明，在標(biāo)準(zhǔn)太陽光（AM1.5，100 mW/cm2）下，納米α- Fe2O3所能產(chǎn)生的最大光生電流密度為12.6 mA/cm2，起始電位 + 0.4V vs. RHE。

3.3光催化還原CO2

光催化還原CO2基于模擬植物的光合作用[12]，綠色植物光合作用固定CO2物質(zhì)合成的出發(fā)點(diǎn)，它既是人類賴以生存的基礎(chǔ)，同時(shí)也為人工光合成還原CO2提供了借鑒。由于CO2無法吸收在200～900nm的可見光和紫外光，人工光合成還原CO2需要借助于合適的光化學(xué)增感劑才能完成。自從20世紀(jì)70年代日本科學(xué)家發(fā)現(xiàn)TiO2光催化現(xiàn)象以來，大量的研究表明，半導(dǎo)體材料，如金屬氧化物和硫化物等都具有光催化活性。半導(dǎo)體光催化反應(yīng)是以光能為驅(qū)動(dòng)力的氧化-還原過程，其電子的激發(fā)與傳遞過程同光合作用過程極為相似。

4.結(jié)語

Fe2O3作為地球上含量極為豐富的物質(zhì)，其良好的物理和化學(xué)性能使其應(yīng)用方面非常廣泛，更是在光催化領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用于于環(huán)境污染物處理和光解水制氫、制氧等領(lǐng)域。雖然對(duì)氧化鐵在光催化方面的研究有了很大的進(jìn)展，但是與傳統(tǒng)的催化材料相比，氧化鐵的光催化活性仍然較低。所以，我們?nèi)韵Ｍㄟ^不斷的研究，通過各種方式，提高氧化鐵的催化效率，最后能在這方面有所突破。