宏观块材α-Fe₂O₃（赤铁矿）是自然界中最稳定、最常见的铁氧化物，是铁锈和许多红色土壤/岩石的主要成分。

• 反铁磁性 (Antiferromagnetism): 这是α-Fe₂O₃最核心的磁学特性，也是其与其它强磁性铁氧化物（如γ-Fe₂O₃, Fe₃O₄）最本质的区别。在其刚玉晶格中，相邻Fe³⁺离子的磁矩呈反平行排列，导致其宏观净磁矩几乎为零。在室温下，由于自旋倾斜，它会表现出极弱的弱铁磁性。
• 合适的带隙与可见光吸收: α-Fe₂O₃具有~2.2 eV的直接带隙，使其能够高效地吸收可见光（特别是波长小于600 nm的光），这是其呈现红色的原因，也是其作为可见光光催化剂和颜料的基础。
• 极高的化学稳定性与低成本: α-Fe₂O₃是铁的最终氧化产物，化学性质极其稳定，耐腐蚀。同时，其原料来源极其丰富，成本极低。

当α-Fe₂O₃的尺寸缩小到纳米尺度时，其光电催化性能被极大地优化。

• 优化的光电催化性能: 块材α-Fe₂O₃作为光电阳极的主要瓶颈是其极短的空穴扩散长度（~2-4 nm）和较差的导电性。当其尺寸缩小到纳米级别（如纳米线、纳米片）时：
  • 缩短的电荷传输距离: 纳米结构可以确保光生空穴在复合前能够高效地迁移到半导体/电解液界面参与反应。
  • 巨大的比表面积: 纳米结构提供了巨大的反应表面积，增加了与电解液的接触，降低了电荷转移电阻。

对于α-Fe₂O₃，通过用其它金属离子掺杂或表面修饰，是提升其光电催化性能的最核心策略。

目标: 提高其本征电导率和催化活性。

• n型掺杂: 通过引入四价金属离子（如Ti⁴⁺, Sn⁴⁺, Si⁴⁺）来取代Fe³⁺的位置，可以引入额外的电子，从而极大地提高其电导率，降低载流子在体相传输中的电阻损耗。
• p型掺杂: 通过引入二价金属离子（如Mg²⁺, Zn²⁺）来取代Fe³⁺的位置，可以引入空穴，改变其费米能级。

目标: 钝化表面缺陷和负载助催化剂。

• 负载助催化剂: 在α-Fe₂O₃纳米颗粒表面负载一层高效的析氧助催化剂（如CoOₓ, NiOₓ, IrO₂），可以极大地降低光生空穴从半导体转移到电解液的能垒，加速水氧化动力学，从而显著提高光电催化效率。

α-Fe₂O₃纳米颗粒作为一种储量极其丰富、成本极低、化学性质稳定且能吸收可见光的半导体，在光催化和光电催化（PEC）领域是一种极具潜力的材料。

这是α-Fe₂O₃在能源催化领域最重要、最有前景的应用。

• 作为光阳极材料:
  • 优势: α-Fe₂O₃具有一系列作为PEC光阳极的理想特性：1) 合适的带隙（~2.2 eV），使其能够高效利用可见光；2) 优异的化学稳定性，能够在强碱性电解液中稳定工作；3) 储量丰富，成本极低；4) 环境友好。
  • 原理: 将α-Fe₂O₃纳米颗粒制成薄膜电极。在光照和外加偏压下，其价带上产生的光生空穴会迁移到电极表面，氧化水产生氧气；而电子则通过外电路被导出，在对电极（阴极）上还原水产生氢气。

• 费托合成: 铁基催化剂是工业上用于将合成气（CO+H₂）转化为碳氢化合物（汽油）的两种主要催化剂之一（另一种是钴基）。
• 脱氢反应: α-Fe₂O₃是工业上用于乙苯脱氢制苯乙烯等反应的高温催化剂。

α-Fe₂O₃纳米颗粒由于其弱磁性，在磁共振成像（MRI）中的应用不如其强磁性的同分异构体γ-Fe₂O₃和Fe₃O₄。其在生物传感领域的应用主要利用其半导体和纳米酶特性。

• 作为纳米酶用于生物传感:
  • 类过氧化物酶 (Peroxidase-like) 活性: α-Fe₂O₃纳米颗粒能够像天然的辣根过氧化物酶（HRP）一样，催化过氧化氢（H₂O₂）氧化无色的底物（如TMB），产生蓝色的产物。可用于构建检测葡萄糖、胆固醇等生物分子的比色传感器。
• 电化学生物传感: 由α-Fe₂O₃纳米颗粒修饰的电极具有巨大的比表面积和优异的稳定性，是构建高灵敏度电化学生物传感器的理想平台。

α-Fe₂O₃纳米颗粒因其优异的生物相容性和独特的半导体特性，在药物递送和肿瘤治疗领域展现出了一定的应用潜力。

α-Fe₂O₃纳米颗粒巨大的比表面积使其成为一种多功能的药物递送平台。

• 高载药量: 其巨大的比表面积，使其能够通过物理吸附或共价键，高效负载化疗药物。

利用α-Fe₂O₃的类芬顿反应活性，可以实现肿瘤的选择性杀伤。

• 化学动力学治疗 (Chemodynamic Therapy, CDT):
  • 原理: 肿瘤微环境通常具有高浓度的过氧化氢（H₂O₂）和弱酸性。α-Fe₂O₃纳米颗粒在肿瘤的酸性微环境下会部分溶解，释放出的Fe³⁺/Fe²⁺离子可以催化肿瘤内的H₂O₂发生类芬顿反应，产生大量剧毒的羟基自由基（•OH）。
  • 优势: 这种治疗方法利用肿瘤微环境的内源性“燃料”（H₂O₂）来原位产生杀伤性物质，具有很高的肿瘤选择性。

α-Fe₂O₃作为铁的最稳定氧化物，普遍被认为具有优异的生物相容性和低细胞毒性，已被美国FDA批准用作食品添加剂和颜料。

• “绿色”的元素组成: α-Fe₂O₃由生物必需的铁（Fe）元素和氧元素组成，从根本上避免了其它重金属离子泄漏带来的严重细胞毒性问题。
• 高化学稳定性: α-Fe₂O₃的晶格结构非常稳定，在生理环境中极难溶解，因此其铁离子的释放量极低。
• 生物降解性: 尽管降解速率非常缓慢，但α-Fe₂O₃最终可以在体内（特别是在酸性的溶酶体中）降解，并进入机体正常的铁代谢循环。

由于其优异的生物相容性和低毒性，α-Fe₂O₃纳米颗粒在生物医学应用中前景广阔。然而，与所有纳米材料一样，其长期生物安全性仍需系统的研究来证实。

高质量、形貌均一的α-Fe₂O₃纳米颗粒的合成，通常依赖于在液相中对铁盐前驱体进行水解和热处理。

这是制备高质量、形貌可控的α-Fe₂O₃纳米晶最常用、最灵活的方法。

• 原理:
  1. 前驱体溶解: 在水或有机溶剂（如乙二醇）中，将可溶性的铁盐（最常用的是三氯化铁, FeCl₃）溶解。
  2. 添加添加剂: 加入特定的阴离子（如SO₄²⁻, PO₄³⁻）或有机小分子（如尿素、表面活性剂）作为形貌控制剂。
  3. 高压反应: 将混合溶液密封于一个高压反应釜内，在一定温度下（通常100-200 °C）加热数小时至数十小时。在高温高压下，Fe³⁺离子缓慢地水解、脱水并晶化，形成α-Fe₂O₃。
• 形貌调控: 通过精确地调控前驱体的种类、pH值、添加剂和反应温度/时间等参数，可以方便地合成出具有各种形貌（如球形、立方体、纺锤形、片状、空心球）的α-Fe₂O₃纳米晶。

在高温有机溶剂中，通过热分解有机金属铁前驱体（如乙酰丙酮铁Fe(acac)₃），可以制备出尺寸极其均一、单分散性极佳的α-Fe₂O₃纳米颗粒。

对α-Fe₂O₃纳米颗粒的精确表征是评估其催化和磁学性能的关键。对其晶体结构和物相的表征尤为重要。

• 晶体结构与物相: X射线衍射 (XRD) 是确认样品是否为纯的α-Fe₂O₃（赤铁矿）相的最关键技术。必须仔细将其衍射峰与其它铁氧化物（如γ-Fe₂O₃磁赤铁矿, Fe₃O₄磁铁矿）的标准衍射峰进行对比，以确认其相纯度。
• 拉曼光谱 (Raman): 拉曼光谱对不同的铁氧化物晶相极其敏感，是辅助XRD进行物相鉴定的有力工具。α-Fe₂O₃在~225, 292, 411, 497, 612 cm⁻¹处有其特征的拉曼振动峰。
• 形貌与尺寸: 透射电子显微镜 (TEM) 是直接观察α-Fe₂O₃ NPs尺寸、形貌和分散性的金标准。

• 磁滞回线: 使用振动样品磁强计（VSM）测量样品的磁滞回线。α-Fe₂O₃的磁滞回线通常非常窄，饱和磁化强度很低，表现出弱铁磁性或反铁磁性特征，这是其与强磁性的γ-Fe₂O₃和Fe₃O₄的根本区别。

α-Fe₂O₃纳米颗粒的表面工程是其实现生物医学应用和高级复合材料应用的前提，其核心任务是提高其在各种介质中的分散性和稳定性，并共价连接功能分子。

裸露的α-Fe₂O₃纳米颗粒在生理环境中容易发生团聚并与蛋白质非特异性吸附。

• 二氧化硅包覆: 在α-Fe₂O₃核表面包覆一层二氧化硅（SiO₂）壳，形成α-Fe₂O₃@SiO₂核-壳结构。这是最常用、最有效的表面修饰策略。这层SiO₂壳可以：
  • 提高分散性: SiO₂表面富含亲水性的硅醇基，可以极大地提高其在水中的分散性和胶体稳定性。
  • 提供功能化平台: SiO₂表面可以通过成熟的硅烷化学，方便地引入氨基、羧基等官能团，用于后续的生物偶联。
  • 提高生物相容性: SiO₂壳可以有效地将磁核与生物环境隔绝。
• 聚合物包覆: 利用聚乙二醇(PEG)、葡聚糖、壳聚糖等生物相容性高分子对α-Fe₂O₃进行包覆，同样可以显著提升其在生理环境中的分散性和稳定性。