介孔二氧化硅辅助合成高纯度ε-Fe2O3纳米颗粒：突破性高矫顽力材料的可规模化制备

本研究针对ε-Fe2O3纳米材料合成纯度低、稳定性差的技术瓶颈，开发了一种基于共沉淀法和介孔二氧化硅包覆的创新工艺。研究人员通过优化硅含量、退火温度和时间等关键参数，成功制备出纯度超95%、矫顽力达22 kOe的高质量ε-Fe2O3纳米颗粒，创下未掺杂材料矫顽力新纪录（23.3 kOe）。该成果为高密度磁存储、毫米波吸收等应用提供了可规模化生产的解决方案。

　　

在磁性材料研究领域，ε-Fe₂O₃因其独特的正交晶系结构和超高矫顽力（可达20 kOe）被誉为"磁性材料界的明日之星"。这种铁氧化物的中间相态不仅具有850K的高居里温度，还能高效吸收毫米波（100-200 GHz），在永磁体、磁记录介质和电磁屏蔽等领域展现出巨大潜力。然而，ε-Fe₂O₃的合成始终面临两大挑战：其一是该相态在热力学上处于亚稳态，容易通过γ→ε→α的相变路径转化为稳定的α-Fe₂O₃；其二是现有合成方法如溶胶-凝胶法需要数天凝胶时间，且最高纯度仅达90%。更棘手的是，为稳定ε相通常需掺杂Ba²⁺、Rh²⁺等金属离子，这既增加成本又可能改变材料本征特性。

为突破这些限制，研究人员开发了一种基于共沉淀法和介孔二氧化硅包覆的创新合成策略。该研究通过将磁铁矿（Fe₃O₄）纳米颗粒直接沉淀在介孔二氧化硅基质中，再经精确控温退火（1050-1125°C）实现ε相的高效转化。关键技术包括：采用十六烷基三甲基氯化铵（CTAC）调控介孔结构，通过原位X射线衍射（XRD）实时监测相变动力学，结合透射电镜（TEM）和氮气吸附（BET）表征材料形貌与孔隙结构，并利用超导量子干涉仪（SQUID）测定磁学性能。

3. 结果与讨论
3.1 硅基质调控
研究发现二氧化硅包覆方式对相选择性具有决定性影响。传统硅包覆样品（M_SiO）在1100°C退火后ε相纯度仅74%，而介孔硅包覆样品（M_mSiO）在相同条件下纯度高达98%。TEM显示CTAC形成的波纹状介孔结构（比表面积121 m²/g）比致密硅壳（50 m²/g）更有利于抑制颗粒团聚。

3.2 相变动力学
原位XRD揭示关键相变机制：介孔硅将γ→ε转变时间从40分钟延长至1小时，使ε相收率从70%提升至95%。温度梯度实验表明，介孔硅能将γ相稳定性从700°C提升至800°C，并将ε相形成窗口拓宽至900-1100°C。

3.3 磁学性能突破
最优样品（1100°C退火3小时）展现22 kOe矫顽力和17 emu/g饱和磁化强度。值得注意的是，当晶粒尺寸（MCL）达43 nm时，即使含20% α相仍创下23.3 kOe的矫顽力纪录，这归因于介孔限制效应使晶粒尺寸接近ε相稳定阈值（约40 nm）。

4. 结论
该研究建立了介孔二氧化硅辅助合成ε-Fe₂O₃的普适性方法，通过"空间限域-晶粒调控"双重机制解决了亚稳相合成的世界性难题。相比传统掺杂策略，该方法在保持材料本征特性的同时，将矫顽力提升15%（较未掺杂材料），且整个工艺流程可在24小时内完成。这项发表于《Materials Today Chemistry》的成果不仅为高频磁器件提供了理想材料，其"基体诱导相选择"的设计思路更为其他亚稳相材料的可控合成提供了新范式。