四氧化三鐵 四氧化三鐵（英文名：Triiron tetraoxide），別名鐵黑、磁性氧化鐵，化學(xué)式Fe?O?，是 氧化鐵 （Fe?O?）和 氧化亞鐵 （FeO）的加成物，F(xiàn)e?O?中的鐵離子1/3是Fe2?，2/3是Fe3?。四氧化三鐵常態(tài)為黑色立方系結(jié)晶或無(wú)定形粉末，其熔點(diǎn)為1594 ℃，此溫度下會(huì)分解，密度5.17 g/cm3，不溶于水和有機(jī)溶劑，有 強(qiáng)磁性 ，遮蓋力和著色力強(qiáng)。天然磁鐵礦中的四氧化三鐵性質(zhì)穩(wěn)定，有良好的 耐堿性 ，溶于 濃酸 、熱強(qiáng)酸。Fe?O?的制備方法有共沉淀法、 水熱溶劑法 、 微乳液法 等，在環(huán)境、生物醫(yī)學(xué)、能源和材料等多個(gè)領(lǐng)域均有應(yīng)用。
發(fā)現(xiàn)歷史 天然磁石的主要成分是四氧化三鐵，公元前6-7世紀(jì)，中西方都各自發(fā)現(xiàn)了天然 磁石吸鐵 現(xiàn)象，中國(guó)人由此發(fā)明了司南、指南針 布拉格 （Bragg）稱(chēng)四氧化三鐵具有立方尖晶石結(jié)構(gòu)，后來(lái) 韋爾維 （Verwey）和布爾（Boer）經(jīng)過(guò)分析，認(rèn)為四氧化三鐵有反尖晶石結(jié)構(gòu)。1948年，尼爾（Neel）推進(jìn)了 亞鐵磁性理論 。1984年，Yanase和Siratori通過(guò)能帶結(jié)構(gòu)計(jì)算研究，發(fā)現(xiàn)具有立方尖晶石結(jié)構(gòu)的四氧化三鐵是稀少的具有多數(shù)自旋方向帶隙的半金屬鐵磁體。2002年，Mortonx通過(guò)自旋極化光發(fā)射譜法測(cè)量了四氧化三鐵的自旋極化率為-40%，四氧化三鐵的電運(yùn)輸特性被人們廣泛研究。
分布情況
物質(zhì)結(jié)構(gòu) 四氧化三鐵是Fe2?、Fe3?、O2?組成的反尖晶石結(jié)構(gòu)離子晶體，晶體由O2?組成含四面體空隙和八面體空隙的骨架 ：
理化性質(zhì)
物理性質(zhì) 四氧化三鐵外觀為黑色立方系結(jié)晶或無(wú)定形粉末，其 熔點(diǎn) 為1594 ℃，此溫度下會(huì)分解，密度5.17 g/cm3，不溶于水和有機(jī)溶劑，有強(qiáng)磁性，遮蓋力和著色力強(qiáng)。
化學(xué)性質(zhì) 四氧化三鐵不與堿反應(yīng)，溶于濃酸、熱強(qiáng)酸，能夠被強(qiáng)還原劑還原或被強(qiáng)氧化劑氧化。
與酸反應(yīng) 四氧化三鐵能與鹽酸、硫化氫發(fā)生以下反應(yīng)：
氧化還原反應(yīng) 四氧化三鐵能被氫氣、鋁、碳等單質(zhì)和一氧化碳還原成鐵或 氧化亞鐵 。 四氧化三鐵能被氧氣氧化成三氧化二鐵，被重鉻酸鉀的酸性溶液氧化成三價(jià)鐵鹽。
制備方法 四氧化三鐵的生產(chǎn)方法從工藝上可分為 濕法 和 干法 。
濕法
直接合成法 直接合成法也叫 加成法 ，做法是將三氧化二鐵與氫氧化亞鐵在一定的pH和溫度下直接進(jìn)行加成反應(yīng)，而后經(jīng)脫水、干燥、粉碎得到四氧化三鐵。主要發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)如下：
氫氧化亞鐵氧化法 氫氧化亞鐵 氧化法的做法是在一定的pH和溫度下，將氫氧化鈉溶液和硫酸亞鐵溶液混合反應(yīng)生成氫氧化亞鐵溶液。 氫氧化亞鐵不穩(wěn)定，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，在攪拌的作用下氧化亞鐵會(huì)被空氣氧化成 綠銹 ，反應(yīng)接近終點(diǎn)時(shí)，投入適量氧化劑硝酸銨并鼓入空氣。
生成的鐵黑沉淀經(jīng)分離、干燥、粉碎即可獲得四氧化三鐵產(chǎn)品。
干法 干法制備四氧化三鐵的做法是將粉碎后的 三氧化二鐵 在嚴(yán)格控制的反應(yīng)條件下還原成四氧化三鐵。
納米材料制備 四氧化三鐵納米粒子化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，具有良好的磁響應(yīng)性、 耐候性 、生物相容性等。 可以通過(guò)共沉淀法、 溶膠-凝膠法 、 熱分解法 、溶劑熱法等方式生產(chǎn)。 共沉淀法：一般做法是在Ar或N?的保護(hù)下，使用 鐵鹽 [ ， 等]和亞鐵鹽（ 和 等）按比例配置成鹽溶液，加入堿性沉淀劑（如 ， 等），在一定的pH、溫度等條件下進(jìn)行共沉淀，可獲得性能優(yōu)良的 微粒。主要的反應(yīng)原理為： 溶膠-凝膠法：做法是按比例將 溶液混合，調(diào)節(jié)溶液的pH后進(jìn)行蒸發(fā)得到凝膠。 熱分解法的做法是將 油鐵酸 、Fe(CO)?、Fe(ac 溶劑熱法：采用醇、 胺 、酮等作為溶劑，溶劑能夠溶解反應(yīng)物為反應(yīng)提供液相環(huán)境同時(shí)也充當(dāng)還原劑將三價(jià)鐵還原成二價(jià)鐵；加入的礦化劑使的反應(yīng)能夠進(jìn)行，并且通過(guò)調(diào)整礦化劑能夠改變四氧化三鐵粒子的大?。徽{(diào)整表面活性劑的種類(lèi)和濃度能夠影響四氧化三鐵粒子的形狀。
應(yīng)用領(lǐng)域
環(huán)境領(lǐng)域 四氧化三鐵的磁性納米粒子比表面積極高，因此具有很好的吸附性能，在水處理，例如去除水中的重金屬離子等方面有巨大優(yōu)勢(shì)；有磁性，在磁場(chǎng)的作用下能夠從溶劑中快速分離并避免 二次污染 ；有易修飾功能團(tuán)，能對(duì)目標(biāo)物產(chǎn)生特異性親和吸附的效果。不過(guò)四氧化三鐵磁性 納米顆粒 也有其局限性，如裸露在空氣中的四氧化三鐵納米顆粒極易氧化，容易因磁性發(fā)生團(tuán)聚導(dǎo)致吸附性能下降
生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域 四氧化三鐵有優(yōu)異的生物相容性、低毒性，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域可用于磁性靶向給藥、 生物標(biāo)定 、 細(xì)胞標(biāo)記 、 核磁造影 等。 比如在腫瘤治療中，四氧化三鐵納米粒子能夠增強(qiáng)腫瘤的核磁共振成像信號(hào)、用于熱磁治療、負(fù)載藥物將藥物輸送至指定位置等。
材料領(lǐng)域 四氧化三鐵具有特殊的光電磁效應(yīng)，能夠用于制作新型電子材料和特殊功能性材料， 如制備磁性流體，磁性液體是含有眾多納米級(jí)的鐵磁性或亞鐵磁性微粒并且性質(zhì)穩(wěn)定的膠體溶液，是既有液體的流動(dòng)力，又有固體的磁性的一種新型功能材料。這種磁性液體即便受到外界磁場(chǎng)、重力場(chǎng)等的作用也能長(zhǎng)期穩(wěn)定存在，被廣泛應(yīng)用于 印刷 、 真空密封包裝 、 傳感器 等領(lǐng)域中。 四氧化三鐵遮蓋力高、著色力強(qiáng)、具有良好的耐堿性，可用于制作涂料、 油墨 、油彩等。
催化領(lǐng)域 四氧化三鐵粒子具有巨大的比表面積，能夠作為催化劑，例如催化有機(jī)合成反應(yīng)、催化降解有機(jī)染料等，且因?yàn)槠渥陨砭哂写判?，相較其他催化劑具有能夠快速分離回收的優(yōu)點(diǎn)；四氧化三鐵納米粒子還能充當(dāng)催化劑的載體，方便催化劑的回收利用等，比如負(fù)載貴 金屬催化劑 、有機(jī)化合物催化劑。
能源領(lǐng)域 四氧化三鐵具有高理論電容、 導(dǎo)電率 高、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)，與其他材料復(fù)合后能夠作為鋰離子電池、超級(jí)電容器的電極材料，提高電池的性能。四氧化三鐵還能夠作為儲(chǔ)氫材料，其反應(yīng)機(jī)理為：
