江佳++王齐耀

摘要：纳米Fe2O3是一种理想的功能材料，具有比较独特的物理和化学性能。当氧化铁颗粒尺寸小到纳米级时，其表面原子数、比表面积和表面能等均随粒径的减小而急剧增加，从而表现出小尺寸效应、量子尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应等特点，具有良好的光学性质、磁性、催化特性等，在颜料、催化、磁性、传感器、场发射、电池等领域得到很广泛的应用。

关键词：Fe2O3光电化学性能

1.Fe2O3的基本性能和应用领域

1.1Fe2O3的基本性能

Fe2O3按其结构和晶型可分Fe2O3 （αβγ及δ型）几类[1]。在自然界中，最为常见的为α- Fe2O3和γ- Fe2O3，其他类型的氧化铁主要通过人工合成得。在所有类型的氧化铁中，α- Fe2O3的热稳定性最高，是所有含铁化合物热力学转变的最终产物。

α- Fe2O3具有优良的物理性质和化学性能。它的相对分子质量为 159.67，形状一般为红棕色粉末。密度 5.26g/cm3，熔点较高为 1565℃，即在 1565℃时才能分解；氧化铁一般是以矿物质的形式存在比如赤铁矿、赭石。

1.2Fe2O3的应用领域

Fe2O3具有优良的光学、电学、磁学和力学等性质，在颜料、涂料、化工、电子及现代科技等领域具有广泛的用途。同时，纳米科技与技术的急速发展使Fe2O3进入了一个崭新的发展领域。由于纳米氧化铁粉体的纳米效应，使其在光学、磁学、电学、模量等方面的性能发生了很大的优化。相比于非纳米氧化铁的粉体相比，纳米氧化铁具有更加良好的耐候性、耐光性、磁性和对紫外线具有良好的吸收功能。

2.纳米Fe2O3制备方法

2.1溶胶-凝胶法

溶胶-凝胶法就是用含高化学活性组分的化合物作前驱体，在液相下将这些原料均匀混合，并进行水解、缩合化学反应，在溶液中形成稳定的透明溶胶体系，溶胶经陈化胶粒间缓慢聚合，形成三维网络结构的凝胶，凝胶网络间充满了失去流动性的溶剂，形成凝胶。凝胶经过干燥、烧结固化制备出分子乃至纳米亚结构的材料。

Woo[2]等通过使用铁盐和油酸溶液，采用溶胶-凝胶法合成了纳米粒状的α- Fe2O3粒子，并可通过控制水与油酸的比例来来控制粒子的大小。Dong[3]等则使用环氧乙烷和氯化铁作为初始材料，采用溶胶-凝胶法合成了小粒子的α- Fe2O3。Xu[4]等也同样采用溶胶-凝胶法合成了α- Fe2O3/SiO2负载催化剂，所得催化剂中α- Fe2O3粒子变小，活性得到显著的提高。

2.2直接沉淀法

直接沉淀法是制备超细微粒广泛采用的一种方法，其原理是在金属盐溶液中加入沉淀剂，在一定条件下生成沉淀析出，沉淀经洗涤、热分解等处理工艺后得到超细产物。直接沉淀法操作简单易行，对设备技术要求不高，不易引入杂质，产品纯度很高，有良好的化学计量性，成本较低。缺点是洗涤原溶液中的阴离子较难，得到的粒子粒经分布较宽，分散性较差。

通常，可通过在溶液中直接沉淀形成（经基）氧化铁，后在在一定温度下加热，便可生成α- Fe2O3可分为酸法与減法两种。酸法指的是在酸性条件下铁离子水解形成聚合物，后在较低的温度下老化形成。而碱法则指的是在械性条件下水解为Fe（OH）3沉淀，后经高温处理，脱水得到。

刘海峰[5]等采用直接沉淀法制备氧化铁纳米体，得了液相均匀沉淀法制备氧化铁纳米粉体的最佳工艺。直接沉淀法的优点是可以改进水热法合成粉体中存在的反应物不均匀，反应速率不可控等缺点，又克服了溶胶-凝胶法使用的金属醇盐成本高的缺点。

2.3喷雾热分解法

喷雾热分解技术指的是利用高温炉将混合物料的溶液（如金属盐溶液）雾化，使其在瞬间发生热分解、反应、合成或锻烧，获得超细粉体及薄膜的气溶胶技术，因其颗粒可控、成分均匀及纯度较高而得到愈来愈广的应用。

Gratzel[6]等采用超声喷雾热分解技术（USP）合成了介孔α- Fe2O3薄膜，此薄膜具有很好的可见光活性。Akl[7]等使用喷雾热分解技术制得了不同结晶度的α- Fe2O3薄膜并可通过控制温度和沉积时间控制α- Fe2O3薄膜的结晶。Ouertani[8]等同样采用此方法将氯化铁水溶液于300℃条件下瞬间雾化，在玻璃载体上经过热分解生成了无定形的红色薄膜，后经真空高温煅烧后得到较高结晶度的α- Fe2O3，而最佳的緞烧温度为350℃。

3.Fe2O3的光催化性能

3.1光催化降解污染物

许宜铭等提出近三十年的研究表明，TiO2作为光催化剂最为合适。但是，目前的光催化效率还较低。相比之下，氧化铁作为环保光催化剂的研究则相对较少.由于氧化铁能吸收可见光，又广泛存在于自然界，开展氧化铁光催化研究十分必要。他们在实验中发现，Fe2O3的结晶度越高，光致降解桔红 II 的活性就越高；催化剂比表面越大，桔红 II 吸附越多，光反应速率也越快，符合半导体光催化的一般规律。

3.2光分解水制氢或氧

光解水的原理为：光辐射在半导体上，当辐射的能量大于或相當于半导体的禁带宽度时，半导体内电子受激发从价带跃迁到导带，而空穴则留在价带，使电子和空穴发生分离，然后分别在半导体的不同位置将水还原成氢气或者将水氧化成氧气。

邓久军[10]提到纳米α- Fe2O3无毒，是一种环境友好型的光解水材料。纳米α- Fe2O3理论上能够达到的最大光电化学分解水的效率为12.9%，工业应用时的效率为10%。且纳米α- Fe2O3储存含量大，价格也相对便宜。

现在已有理论的计算表明，在标准太阳光（AM1.5，100 mW/cm2）下，纳米α- Fe2O3所能产生的最大光生电流密度为12.6 mA/cm2，起始电位 + 0.4V vs. RHE。

3.3光催化还原CO2

光催化还原CO2基于模拟植物的光合作用[12]，绿色植物光合作用固定CO2物质合成的出发点，它既是人类赖以生存的基础，同时也为人工光合成还原CO2提供了借鉴。由于CO2无法吸收在200～900nm的可见光和紫外光，人工光合成还原CO2需要借助于合适的光化学增感剂才能完成。自从20世纪70年代日本科学家发现TiO2光催化现象以来，大量的研究表明，半导体材料，如金属氧化物和硫化物等都具有光催化活性。半导体光催化反应是以光能为驱动力的氧化-还原过程，其电子的激发与传递过程同光合作用过程极为相似。

4.结语

Fe2O3作为地球上含量极为丰富的物质，其良好的物理和化学性能使其应用方面非常广泛，更是在光催化领域中被广泛应用于于环境污染物处理和光解水制氢、制氧等领域。虽然对氧化铁在光催化方面的研究有了很大的进展，但是与传统的催化材料相比，氧化铁的光催化活性仍然较低。所以，我们仍希望通过不断的研究，通过各种方式，提高氧化铁的催化效率，最后能在这方面有所突破。