四氧化三鐵（英文名：Triiron tetraoxide），別名鐵黑、磁性氧化鐵，化學式Fe?O?，是氧化鐵（Fe?O?）和氧化亞鐵（FeO）的加成物，Fe?O?中的鐵離子1/3是Fe2?，2/3是Fe3?。四氧化三鐵常態為黑色立方系結晶或無定形粉末，其熔點為1594 ℃，此溫度下會分解，密度5.18 g/cm3，不溶于水和有機溶劑，有強磁性，遮蓋力和著色力強。四氧化三鐵在潮濕狀態下在空氣中容易氧化成氧化鐵（Fe?O?）。天然磁鐵礦中的四氧化三鐵性質穩定，有良好的耐堿性，溶于濃酸、熱強酸。Fe?O?的制備方法有共沉淀法、水熱溶劑法、微乳液法等，在環境、生物醫學、能源和材料等多個領域均有應用。
發現歷史
天然磁石的主要成分是四氧化三鐵，公元前6-7世紀，中西方都各自發現了天然磁石吸鐵現象，中國人由此發明了司南、指南針并應用于航海，影響了人類文明的發展。人類最早對四氧化三鐵的理解開始于19世紀早期，化學分析表明這種磁性材料的分子組成為Fe?O?。最早布拉格（Bragg）稱四氧化三鐵具有立方尖晶石結構，后來韋爾維（Verwey）和布爾（Boer）經過分析，認為四氧化三鐵有反尖晶石結構。1948年，尼爾（Neel）推進了亞鐵磁性理論。1984年，Yanase和Siratori通過能帶結構計算研究，發現具有立方尖晶石結構的四氧化三鐵是稀少的具有多數自旋方向帶隙的半金屬鐵磁體。2002年，Mortonx通過自旋極化光發射譜法測量了四氧化三鐵的自旋極化率為-40%，四氧化三鐵的電運輸特性被人們廣泛研究。
分布情況
自然界中四氧化三鐵主要存在于磁鐵礦中，磁鐵礦在世界范圍內都有分布，中國、俄羅斯、美國、澳大利亞、巴西等國家均有豐富的磁鐵礦礦藏，瑞典的基魯納、智利的拉克鐵礦都是有名的磁鐵礦產地。
物質結構
四氧化三鐵是Fe2?、Fe3?、O2?組成的反尖晶石結構離子晶體，晶體由O2?組成含四面體空隙和八面體空隙的骨架，Fe2?、Fe3?填充在O2?形成的多面體空隙中。具體結構如圖下所示：
理化性質
物理性質
四氧化三鐵外觀為黑色立方系結晶或無定形粉末，其熔點為1594 ℃（分解），密度為5.18 g/cm3，不溶于水和有機溶劑，有強磁性，遮蓋力和著色力強。在自然界中以磁鐵礦的形態出現，常溫時具有強的亞鐵磁性與頗高的電導率。鐵磁性和亞鐵磁性物質在居里（Curie）溫度以上發生二級相變轉變為順磁性物質。Fe?O?的居里溫度為585℃。
化學性質
四氧化三鐵不與堿反應，溶于濃酸、熱強酸，能夠被強還原劑還原或被強氧化劑氧化。
與酸反應
四氧化三鐵能與鹽酸、硫化氫發生以下反應：
氧化還原反應
四氧化三鐵能被氫氣、鋁、碳等單質和一氧化碳還原成鐵或氧化亞鐵。
鐵絲在氧氣中燃燒生成四氧化三鐵，比較鐵的氧化物的標準摩爾生成Gibbs自由能的大小，得出Fe?O?的熱力學穩定性最大，因此產物是Fe?O?。
制備方法
四氧化三鐵的生產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和溫度下直接進行加成反應，而后經脫水、干燥、粉碎得到四氧化三鐵。主要發生的化學反應如下：
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生成氫氧化亞鐵溶液。
氫氧化亞鐵不穩定，隨著反應的進行，在攪拌的作用下氧化亞鐵會被空氣氧化成綠銹，反應接近終點時，投入適量氧化劑硝酸銨并鼓入空氣。
生成的鐵黑沉淀經分離、干燥、粉碎即可獲得四氧化三鐵產品。
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格控制的反應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性質穩定，具有良好的磁響應性、耐候性、生物相容性等。可以通過共沉淀法、溶膠-凝膠法、熱分解法、溶劑熱法等方式生產。
共沉淀法：在含有多種陽離子的溶液中加入沉淀劑，讓所有離子完全沉淀；一般做法是在Ar或N?的保護下，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、溫度等條件下進行共沉淀，可獲得性能優良的微粒。主要的反應原理為：
溶膠-凝膠法：做法是按比例將溶液混合，調節溶液的pH后進行蒸發得到凝膠。
熱分解法的做法是將油鐵酸、Fe(CO)?、Fe(acac)等鐵的有機配位化合物溶于高沸點有機溶劑，通過控制溫度、反應時長、加反應活性劑等制備四氧化三鐵。
溶劑熱法：是在高溫高壓下，采用醇、胺、酮[tóng]等作為溶劑，溶劑能夠溶解反應物為反應提供液相環境同時也充當還原劑將三價鐵還原成二價鐵；加入的礦化劑使反應能夠進行，并且通過調整礦化劑能夠改變四氧化三鐵粒子的大小；調整表面活性劑的種類和濃度能夠影響四氧化三鐵粒子的形狀。
應用領域
環境領域
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勢；有磁性，在磁場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，能對目標物產生特異性親和吸附的效果。不過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，容易因磁性發生團聚導致吸附性能下降等，所以需要對四氧化三鐵納米顆粒進行改性和修飾，以提升器對重金屬離子的吸附效果。
生物醫學領域
四氧化三鐵有優異的生物相容性、低毒性，在醫學領域可用于磁性靶向給藥、生物標定、細胞標記、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腫瘤的核磁共振成像信號、用于熱磁治療、負載藥物將藥物輸送至指定位置等。
材料領域
四氧化三鐵具有特殊的光電磁效應，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的鐵磁性或亞鐵磁性微粒并且性質穩定的膠體溶液，是既有液體的流動力，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、重力場等的作用也能長期穩定存在，被廣泛應用于印刷、真空密封包裝、傳感器等領域中。
四氧化三鐵遮蓋力高、著色力強、具有良好的耐堿性，可用于制作涂料、油墨、油彩等；還可用作拋光劑，或用于生產鐵觸媒（一種催化劑）；此外，在汽車制動領域（如剎車片、剎車蹄）、焊接材料（如電焊條、焊絲）及紡織工業中也有廣泛應用。四氧化三鐵有抗腐蝕效果，如鋼鐵制件的發藍（又稱燒藍和烤藍）就是利用堿性氧化性溶液的氧化作用，在鋼鐵制件表面形成一層藍黑色或深藍色Fe?O?薄膜，以用于增加抗腐蝕性、光澤和美觀。
催化領域
四氧化三鐵粒子具有巨大的比表面積，能夠作為催化劑，例如催化有機合成反應、催化降解有機染料等，且因為其自身具有磁性，相較其他催化劑具有能夠快速分離回收的優點；四氧化三鐵納米粒子還能充當催化劑的載體，方便催化劑的回收利用等，比如負載貴金屬催化劑、有機化合物催化劑。
能源領域
四氧化三鐵具有高理論電容、電導率高、價格低等優點，與其他材料復合后能夠作為鋰離子電池、超級電容器的電極材料，提高電池的性能。四氧化三鐵還能夠作為儲氫材料，其反應機理為：
儲氫：
放氫：
參考資料 >