CN102502871B - 一种三维多孔氧化铁纳米棒簇的合成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三维多孔氧化铁纳米棒簇的合成方法，该方法是：以二苯醚、1-正辛基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐([omim][BF4])及乙酰丙酮铁为原料，经反应制备出具有一定形貌的FeF2，然后将FeF2焙烧，得到三维多孔结构的氧化铁纳米棒簇，本发明通过控制乙酰丙酮铁在[omim][BF4]中分解生成FeF2的温度和反应时间，可得到不同形貌的FeF2，通过焙烧使得Fe-F键转化为Fe-O键，其合成方法新颖、简单、易控。
Description
技术领域
本发明涉及无机纳米材料技术领域，尤其是一种在离子液体辅助下合成氟化亚铁纳米棒簇，然后热解转化合成三维多孔氧化铁纳米棒簇的方法。
背景技术
赤铁矿（α-Fe2O3）是一种最稳定的铁的氧化物，广泛应用于颜料染料、印刷、化妆品行业中。近年来, 人们发现纳米α-Fe2O3材料性质稳定，催化活性高，具有良好的耐光性，在光学、电学、磁学及催化等方面具有特殊性质，特别是由各种纳米粒子、纳米棒、纳米线组装成具有等级结构的复合纳米材料已成为材料科学领域的一个研究热点。
目前纳米结构的α-Fe2O3有多种合成方法，如水热法、氧化沉淀法、热解法、气相沉积法、溶胶-凝胶法以及以离子液体辅助的水热合成法等。合成出的α-Fe2O3纳米粒子有一维的纳米粒、纳米立方体、纳米纺锤体、纳米棒、纳米线，二维的纳米管、纳米片以及一些特殊形貌的三维结构，如杨万华以FeCl2为先驱体，在尿素和盐酸氨基乙酸的混合液中低温合成出三维具有螺旋桨状的α-Fe2O3 [Wan-Hua Yang, Chi-Fang Lee, Horng Yi Tang, Dar-Bin Shieh and Chen-Sheng Yeh .Iron Oxide Nanopropellers Prepared by a Low-Temperature Solution Approach. J. Phys. Chem. B 2006, 110, 14087-14091]；付绍云在无模板剂的情况下，以FeSO4·7H2O和NaClO3为原料合成出三维海胆状α-Fe2O3 [Lu-Ping Zhu, Hong-Mei Xiao, Xian-Ming Liu and Shao-Yun Fu. Template-free synthesis and characterization of novel 3D urchin-like α-Fe2O3 superstructures. J. Mater. Chem., 2006, 16, 1794–1797]。由于离子液体是由体积较大的有机阳离子和体积较小的无机阴离子组成的在室温下程液态，具有温度区间大、溶解范围广、热稳定性好等特点的离子化合物，与传统溶剂相比，离子液体具有明显的优势，因此以离子液体为溶剂来制备纳米材料受到了人们的广泛关注。文献报道有王翠青等以TiCl为原料，以离子液体1-丁基-3-甲基咪唑氯（[bmim]Cl）和十六烷基三甲基溴化胺(CTAB)为添加剂，在一定温度下通过水热反应制得了均匀的金红石型TiO2纳米棒；Zhu等以Zn(NO3)2·6H2O和NaOH为原料，在离子液体[omim][BF4]中微波加热合成出针状纳米结构ZnO以及以离子液体为溶剂制备的MnO2、CuO等。这其中也包括以离子液体制备的α-Fe2O3，如Chang-Moon Lee等人以离子液体和DMF为溶剂，使Fe(CO)5受热分解制得的一维棒状和线状纳米氧化铁[Chang-Moon Lee, Hwan-Jeong Jeong, Seok Tae Lim, Myung-Hee Sohn, and Dong Wook Kim. Synthesis of Iron Oxide Nanoparticles with Control over Shape Using Imidazolium-Based Ionic Liquids. Applied Materials&Interfaces, 2010, 2, 756–759]；郑文君等人在离子液体[bmim]Cl中合成出α-Fe2O3纳米粒、多孔α-Fe2O3纳米棒等[Jiabiao Lian, Xiaochuan Duan, Jianmin Ma, Peng Peng, Tongil Kim, and Wenjun Zheng. Hematite(α-Fe2O3) with Various Morphologies: Ionic Liquid-Assisted Synthesis, Formation Mechanism, and Properties. JACS, 2009, 3, 3749–3761]。这些以离子液体为溶剂合成纳米结构α-Fe2O3的方法与在水相中合成的方法相比，反应条件无需高温高压，更为温和，操作更简便，但也存在重复性差、α-Fe2O3纳米粒子的形貌不易控制等缺点。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足而提供的一种以离子液体为模板和前驱物来制备三维多孔氧化铁纳米棒簇的新方法。
本发明的目是这样实现的：
一种三维多孔氧化铁纳米棒簇的合成方法，该方法是：以二苯醚、1-正辛基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐（[omim][BF4]）、乙酰丙酮铁为原料，经反应制备出具有一定形貌的FeF2，然后将FeF2焙烧，得到三维多孔结构的α-Fe2O3纳米棒簇，具体操作步骤如下：
（1）FeF2的制备
将质量比为（0～43）:（10～55）:1的二苯醚、[omim][BF4]和乙酰丙酮铁一同加入到高压反应釜中，搅拌均匀，充入N2排净空气，保持反应釜内N2压力为2kPa，开始搅拌，同时温度升至200～280℃，继续搅拌1～10h，搅拌速度在300～1000r/min，待反应釜内温度降至室温后打开反应釜，过滤并用乙醇洗涤产物，得到FeF2。
（2）焙烧FeF2
将FeF2放入陶瓷坩埚中空气氛围下焙烧，焙烧温度为400～600℃，焙烧时间为7～10h，焙烧后得到三维多孔的α-Fe2O3纳米棒簇。
本发明通过加热促进含[BF4]-的离子液体分解生成F-，并与乙酰丙酮铁热分解产生的物质相互作用，制备出离子液体修饰的FeF2纳米棒簇，并通过进一步热分解转化制备三维多孔氧化铁纳米棒。
本发明与现有技术相比有以下优点：
⑴、制得的α-Fe2O3具有三维多孔纳米棒簇形貌，通过控制反应温度和物料比可控制FeF2的形貌，从而对α-Fe2O3的形貌可控。
⑵、制备的α-Fe2O3多孔纳米棒簇是通过FeF2转化而来，Fe-F键转化为Fe-O的变化过程为制备具有多种活性位或不同表面活性氧种提供了可能。
⑶、工艺简单、易于操作，成本低，无需严格控制反应pH值。
附图说明
图1为X射线衍射图（XRD），其中（a）为FeF2的XRD谱线；（b）为FeF2在400℃焙烧后产物的XRD谱线；（c）为FeF2在500℃焙烧后产物的XRD谱线；（d）为FeF2在800℃焙烧后产物的XRD谱线；
图2为扫描电镜图（SEM），其中（a）、（b）为FeF2的SEM图，（c）、（d）为FeF2在500℃焙烧后产物的SEM图，（e）、（f）为FeF2在800℃焙烧后产物的SEM图；
图3为透射电镜图（TEM），其中（a）、（b）为FeF2 的TEM图，（c）、（d）为FeF2在400℃焙烧后产物的TEM图，（e）、（f）为FeF2在500℃焙烧后产物的TEM图，（g）、（h）为FeF2在800℃焙烧后产物的TEM图；
图4为N2吸附脱附等温曲线图，(a)为FeF2在400℃焙烧后的吸附脱附等温曲线，(b)为FeF2在500℃焙烧后产物的吸附脱附等温曲线，(c)为以离子液体为溶剂，无二苯醚的条件下制备的FeF2在400℃焙烧后产物的吸附脱附等温曲线；
图5为孔径分布图，(a)为FeF2在400℃焙烧后产物的孔径分布，(b)为FeF2在500℃焙烧后产物的孔径分布，(c)为以离子液体为溶剂，无二苯醚的条件下制备的FeF2在400℃焙烧后产物的孔径分布。
具体实施方式
实施例1
（1）将30g二苯醚、20g [omim][BF4]和1g乙酰丙酮铁一同加入到高压反应釜中，搅拌均匀，充入N2排净空气，最后保持反应釜内N2压力为2kPa，控制搅拌速度在1000r/min，将温度升至230℃，搅拌1h。待反应釜内温度降至室温后打开反应釜，过滤产物并用乙醇洗涤，即得到FeF2。
（2）将FeF2放入陶瓷坩埚中空气氛围下焙烧，焙烧温度为400℃，焙烧时间为7h，焙烧后可得到三维多孔的α-Fe2O3纳米棒簇。
实施例2
（1）将25g二苯醚、25g [omim][BF4]和1g乙酰丙酮铁一同加入到高压反应釜中，搅拌均匀，充入N2排净空气，最后保持反应釜内N2压力为2kPa，控制搅拌速度在1000r/min，将温度升至230℃，搅拌1h。待反应釜内温度降至室温后打开反应釜，过滤产物并用乙醇洗涤，即得到FeF2。
（2）将FeF2放入陶瓷坩埚中空气氛围下焙烧，焙烧温度为400℃，焙烧时间为7h，焙烧后可得到三维多孔的α-Fe2O3纳米棒簇。
实施例3
（1）将20g二苯醚、30g [omim][BF4]和1g乙酰丙酮铁一同加入到高压反应釜中，搅拌均匀，充入N2排净空气，最后保持反应釜内N2压力为2kPa，控制搅拌速度在1000r/min，将温度升至230℃，搅拌1h。待反应釜内温度降至室温后打开反应釜，过滤产物并用乙醇洗涤，即得到FeF2。
（2）将FeF2放入陶瓷坩埚中空气氛围下焙烧，焙烧温度为400℃，焙烧时间为7h，焙烧后可得到三维多孔的α-Fe2O3纳米棒簇。
实施例4
（1）将50g [omim][BF4]和1g乙酰丙酮铁一同加入到高压反应釜中搅拌均匀，充入N2排净空气，最后保持反应釜内N2压力为2kPa，控制搅拌速度在1000r/min，将温度升至230℃，搅拌1h。待反应釜内温度降至室温后打开反应釜，过滤产物并用乙醇洗涤，即得到FeF2。
（2）将FeF2放入陶瓷坩埚中空气氛围下焙烧，焙烧温度为400℃，焙烧时间为7h，焙烧后可得到三维多孔的α-Fe2O3纳米棒簇。
实施例5
（1）将20g二苯醚、30g [omim][BF4]和1g乙酰丙酮铁一同加入到高压反应釜中,搅拌均匀，充入N2排净空气，最后保持反应釜内N2压力为2kPa，控制搅拌速度在300r/min，将温度升至230℃，搅拌5h。待反应釜内温度降至室温后打开反应釜，过滤产物并用乙醇洗涤，即得到FeF2。
（2）将FeF2放入陶瓷坩埚中空气氛围下焙烧，焙烧温度为400℃，焙烧时间为8h，焙烧后可得到三维多孔的α-Fe2O3纳米棒簇。
实施例6
（1）将20g二苯醚、30g [omim][BF4]和1g乙酰丙酮铁一同加入到高压反应釜中，搅拌均匀，充入N2排净空气，最后保持反应釜内N2压力为2kPa，控制搅拌速度在600r/min，将温度升至230℃，搅拌5h。待反应釜内温度降至室温后打开反应釜，过滤产物并用乙醇洗涤，即得到FeF2。
（2）将FeF2放入陶瓷坩埚中空气氛围下焙烧，焙烧温度为400℃，焙烧时间为8h，焙烧后可得到三维多孔的α-Fe2O3纳米棒簇。
实施例7
（1）将20g二苯醚、30g [omim][BF4]和1g乙酰丙酮铁一同加入到高压反应釜中，搅拌均匀，充入N2排净空气，最后保持反应釜内N2压力为2kPa，控制搅拌速度在1000r/min，将温度升至230℃，搅拌5h。待反应釜内温度降至室温后打开反应釜，过滤产物并用乙醇洗涤，即得到FeF2。
（2）将FeF2放入陶瓷坩埚中空气氛围下焙烧，焙烧温度为400℃，焙烧时间为8h，焙烧后可得到三维多孔的α-Fe2O3纳米棒簇。
实施例8
（1）将30g二苯醚、20g [omim][BF4]和1g乙酰丙酮铁一同加入到高压反应釜中，搅拌均匀，充入N2排净空气，最后保持反应釜内N2压力为2kPa，控制搅拌速度在300r/min，将温度升至200℃，搅拌5h。待反应釜内温度降至室温后打开反应釜，过滤产物并用乙醇洗涤，即得到FeF2。
（2）将FeF2放入陶瓷坩埚中空气氛围下焙烧，焙烧温度为400℃，焙烧时间为9h，焙烧后可得到三维多孔的α-Fe2O3纳米棒簇。
实施例9
（1）将30g二苯醚、20g [omim][BF4]和1g乙酰丙酮铁一同加入到高压反应釜中，搅拌均匀，充入N2排净空气，最后保持反应釜内N2压力为2kPa，控制搅拌速度在300r/min，将温度升至250℃，搅拌5h。待反应釜内温度降至室温后打开反应釜，过滤产物并用乙醇洗涤，即得到FeF2。
（2）将FeF2放入陶瓷坩埚中空气氛围下焙烧，焙烧温度为400℃，焙烧时间为9h，焙烧后可得到三维多孔的α-Fe2O3纳米棒簇。
实施例10
（1）将30g二苯醚、20g [omim][BF4]和1g乙酰丙酮铁一同加入到高压反应釜中，搅拌均匀，充入N2排净空气，最后保持反应釜内N2压力为2kPa，控制搅拌速度在300r/min，将温度升至280℃，搅拌5h。待反应釜内温度降至室温后打开反应釜，过滤产物并用乙醇洗涤，即得到FeF2。
（2）将FeF2放入陶瓷坩埚中空气氛围下焙烧，焙烧温度为400℃，焙烧时间为9h，焙烧后可得到三维多孔的α-Fe2O3纳米棒簇。
实施例11
（1）将25g二苯醚、25g [omim][BF4]和1g乙酰丙酮铁一同加入到高压反应釜中，搅拌均匀，充入N2排净空气，最后保持反应釜内N2压力为2kPa，控制搅拌速度在600r/min，将温度升至280℃，搅拌8h。待反应釜内温度降至室温后打开反应釜，过滤产物并用乙醇洗涤，即得到FeF2。
（2）将FeF2放入陶瓷坩埚中空气氛围下焙烧，焙烧温度为400℃，焙烧时间为10h，焙烧后可得到三维多孔的α-Fe2O3纳米棒簇。
实施例12
（1）将25g二苯醚、25g [omim][BF4]和1g乙酰丙酮铁一同加入到高压反应釜中，搅拌均匀，充入N2排净空气，最后保持反应釜内N2压力为2kPa，控制搅拌速度在600r/min，将温度升至280℃，搅拌8h。待反应釜内温度降至室温后打开反应釜，过滤产物并用乙醇洗涤，即得到FeF2。
（2）将FeF2放入陶瓷坩埚中空气氛围下焙烧，焙烧温度为500℃，焙烧时间为10h，焙烧后可得到三维多孔的α-Fe2O3纳米棒簇。
实施例13
（1）将25g二苯醚、25g [omim][BF4]和1g乙酰丙酮铁一同加入到高压反应釜中，搅拌均匀，充入N2排净空气，最后保持反应釜内N2压力为2kPa，控制搅拌速度在600r/min，将温度升至280℃，搅拌8h。待反应釜内温度降至室温后打开反应釜，过滤产物并用乙醇洗涤，即得到FeF2。
（2）将FeF2放入陶瓷坩埚中空气氛围下焙烧，焙烧温度为600℃，焙烧时间为10h，焙烧后可得到三维多孔的α-Fe2O3纳米棒簇。
实施例14
（1）将35g二苯醚、15g [omim][BF4]和1g乙酰丙酮铁一同加入到高压反应釜中，搅拌均匀，充入N2排净空气，最后保持反应釜内N2压力为2kPa，控制搅拌速度在800r/min，将温度升至280℃，搅拌10h。待反应釜内温度降至室温后打开反应釜，过滤产物并用乙醇洗涤，即得到FeF2。
（2）将FeF2放入陶瓷坩埚中空气氛围下焙烧，焙烧温度为600℃，焙烧时间为7h，焙烧后可得到三维多孔的α-Fe2O3纳米棒簇。
实施例15
（1）将35g二苯醚、15g [omim][BF4]和1g乙酰丙酮铁一同加入到高压反应釜中，搅拌均匀，充入N2排净空气，最后保持反应釜内N2压力为2kPa，控制搅拌速度在800r/min，将温度升至280℃，搅拌10h。待反应釜内温度降至室温后打开反应釜，过滤产物并用乙醇洗涤，即得到FeF2。
（2）将FeF2放入陶瓷坩埚中空气氛围下焙烧，焙烧温度为600℃，焙烧时间为8h，焙烧后可得到三维多孔的α-Fe2O3纳米棒簇。
实施例16
（1）将35g二苯醚、15g [omim][BF4]和1g乙酰丙酮铁一同加入到高压反应釜中，搅拌均匀，充入N2排净空气，最后保持反应釜内N2压力为2kPa，控制搅拌速度在800r/min，将温度升至280℃，搅拌10h。待反应釜内温度降至室温后打开反应釜，过滤产物并用乙醇洗涤，即得到FeF2。
（2）将FeF2放入陶瓷坩埚中空气氛围下焙烧，焙烧温度为600℃，焙烧时间为10h，焙烧后可得到三维多孔的α-Fe2O3纳米棒簇。
Claims (1)
1.一种三维多孔氧化铁纳米棒簇的合成方法，其特征在于方法是：以二苯醚、1-正辛基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐及乙酰丙酮铁为原料，经反应制备出具有纳米棒簇状的FeF2，然后将FeF2焙烧，得到三维多孔结构的α-Fe2O3纳米棒簇，具体步骤如下：
（1）FeF2的制备
将二苯醚、1-正辛基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐和乙酰丙酮铁一同加入到高压反应釜中，搅拌均匀，充入N2排净空气，保持反应釜内N2压力为2 KPa ，开始搅拌，同时温度升至200～280℃，继续搅拌1～10h，搅拌速度为300～1000r/min，待反应釜内温度降至室温后打开反应釜，过滤并用乙醇洗涤产物，得到FeF2；所述二苯醚、1-正辛基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐和乙酰丙酮铁质量比为0～43:10～55:1；
（2）焙烧FeF2
将FeF2放入陶瓷坩埚中空气氛围下焙烧，焙烧温度为400～600℃，焙烧时间为7～10h，焙烧后得到三维多孔的α-Fe2O3纳米棒簇。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
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Granted publication date: 20140129 Termination date: 20161104 |