CN102649587A - 一种α相三氧化二铁的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种形貌可控的α相三氧化二铁介孔纳米结构的制备方法。首先以二价铁离子与草酸为原料通过水-有机溶剂媒介中均相沉淀制备出水合草酸亚铁为前躯体。然后通过焙烧过程即可得到孔径分布窄，比表面积高的介孔纳米结构α相三氧化二铁。本发明工艺方法简单，成本低，产率高，操作方便易于实现规模化工业生产，因此有望在锂离子电池，磁性存储，催化等领域获得广泛应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种α相三氧化二铁的制备方法，属于过渡金属氧化物纳米材料以及过渡金属氧化物介孔材料制备领域。
背景技术
α相三氧化二铁是一种n型半导体在可见光范围内具有较强的吸收，在多相催化，气体传感器，太阳光吸收材料，锂离子电池，光致变色中的应用是目前研究的热点。纳米α相三氧化二铁不仅具有微米α相三氧化二铁粉体的优点而且还可以获得许多新奇的性质。而纳米结构的性能和其微观结构具有紧密的联系，因此可以通过制备不同微观结构的α相三氧化二铁纳米结构就可以对其性能实现剪裁和优化。另外介孔结构具有很大的比表面积可以增加接触面积以及流动性，因此介孔结构也被认为是提升材料性能的一种有效途径。可想而知，如果结合特定微结构和介孔结构则势必会结合二者的优点从而能进一步大幅度提高材料性能。但是对于如何制备形貌可控的介孔α相三氧化二铁纳米结构仍是一项难点。目前只能通过硬模板法来制备形貌可控的α相三氧化二铁纳米结构。但是硬模板法涉及到复杂的后处理过程而且还会引入杂质，制备成本较高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种形貌可控的介孔α相三氧化二铁纳米结构的制备方法，解决了制备工艺复杂，成本较高，产物形貌难以调控，孔径分布宽的问题；制备的α相三氧化二铁纳米结构还具有较大的比表面积。
本发明以水合草酸亚铁为前躯体制备形貌可控的介孔α相三氧化二铁纳米结构。首先以二价铁离子与草酸为原料通过水-有机溶剂媒介中均相沉淀制备出水合草酸亚铁为前躯体。然后通过焙烧过程即可得到孔径分布窄，比表面积高的介孔纳米结构α相三氧化二铁。
本发明首先制备出形貌可控的水合草酸亚铁前躯体，通过控制焙烧过程，使得H2O和CO2气体小分子的释放而获得孔径分布窄，比表面积高，形貌可控的纳米结构α相三氧化二铁。
一种α相三氧化二铁的制备方法，其特征在于具体步骤依次为：
水合草酸亚铁纳米结构的可控合成：
将草酸溶解于有机溶剂中得到无色透明溶液，然后向其中加入二价铁离子的水溶液，搅拌得到水合草酸亚铁沉淀；将沉淀用去离子水洗涤，在空气中干燥后得到浅黄色的水合草酸亚铁粉体，所述的有机溶剂选自乙二醇(EG)、N，N-二甲基乙酰胺(DMA)或N-甲基吡咯烷酮(NMP)；
介孔α相三氧化二铁纳米结构的制备：
将浅黄色的水合草酸亚铁粉体于300-350℃下热处理0.5-3小时，然后冷却至室温得到纳米结构的α相三氧化二铁。
本发明选用乙二醇(EG)为有机溶剂，能够得到具有正方形横截面的棒状水合草酸亚铁结构。以N，N-二甲基乙酰胺(DMA)为有机溶剂，最后得到具有水合草酸亚铁纳米棒结构；当有机溶剂更变为N-甲基吡咯烷酮(NMP)，则最终可以得到多层纳米片结构。
本发明所述的二价铁离子的水溶液为氯化亚铁的水溶液、硫酸亚铁的水溶液以及硫酸亚铁铵的水溶液中的任何一种。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
制备的α相三氧化二铁纳米结构具有形貌可控性并且具有较大的比表面积和窄的孔径分布；原料廉价易得，易于实现控制；产品具有均一的粒径和形貌，工艺重复性好，质量稳定，制备工艺简便，成本低廉，操作方便易于实现规模化生产；摆脱了模板法的束缚，提高了产品的纯度。
本发明易于实现规模化工业生产，有望在锂离子电池，磁性存储，催化等领域获得广泛应用。
附图说明
图1为本发明经过水合草酸亚铁热分解制备的α相三氧化二铁的XRD谱图。通过和标准谱图比较所得产物为α相三氧化二铁。横轴为角度，单位为度。纵轴为相对强度，没有单位。
图2为本发明由水合草酸亚铁作为前躯体制备的α相三氧化二铁微米棒的TEM图。
图3为本发明由水合草酸亚铁作为前躯体制备的α相三氧化二铁纳米棒的TEM图。
图4为本发明由水合草酸亚铁作为前躯体制备的α相三氧化二铁多层纳米片的TEM图。
图5为本发明由水合草酸亚铁作为前躯体制备的α相三氧化二铁的氮气吸附-脱附等温线和相应的孔径分布图。从滞后环的形状明显可以看出产物均具有介孔结构且孔径分布很窄。横轴为相对压力，纵轴为吸附体积。
具体实施方式
实施例1：
称取1mmol草酸溶解于10mL的乙二醇(EG)中，得到无色透明溶液。向其中加入氯化亚铁的水溶液(0.2M，5mL)，搅拌得到水合草酸亚铁沉淀。将沉淀用去离子水洗涤，在空气中干燥后得到具有正方形横截面的水合草酸亚铁棒状结构。将以上步骤得到的干燥粉体于300℃下热处理2小时，然后冷却至室温得到具有正方形横截面的介孔α相三氧化二铁棒状结构。
实施例2：
称取1mmol草酸溶解于10mL的乙二醇(EG)中，得到无色透明溶液。向其中加入硫酸亚铁的水溶液(0.2M，5mL)，搅拌得到水合草酸亚铁沉淀。将沉淀用去离子水洗涤，在空气中干燥后得到具有正方形横截面的水合草酸亚铁棒状结构。将以上步骤得到的干燥粉体于300℃下热处理2小时，然后冷却至室温得到具有正方形横截面的介孔α相三氧化二铁棒状结构。
实施例3：
称取1mmol草酸溶解于10mL的乙二醇(EG)中，得到无色透明溶液。向其中加入硫酸亚铁铵的水溶液(0.2M，5mL)，搅拌得到水合草酸亚铁沉淀。将沉淀用去离子水洗涤，在空气中干燥后得到具有正方形横截面的水合草酸亚铁棒状结构。将以上步骤得到的干燥粉体于300℃下热处理2小时，然后冷却至室温得到具有正方形横截面的介孔α相三氧化二铁棒状结构。
实施例4：
称取1mmol草酸溶解于10mL的N，N-二甲基乙酰胺(DMA)中，得到无色透明溶液。向其中加入氯化亚铁的水溶液(0.2M，5mL)，搅拌得到水合草酸亚铁沉淀。将沉淀用去离子水洗涤，在空气中干燥后得到水合草酸亚铁纳米棒结构。将以上步骤得到的干燥粉体于350℃下热处理2小时，然后冷却至室温得到介孔α相三氧化二铁纳米棒结构。
实施例5：
称取1mmol草酸溶解于10mL的N，N-二甲基乙酰胺(DMA)中，得到无色透明溶液。向其中加入硫酸亚铁的水溶液(0.2M，5mL)，搅拌得到水合草酸亚铁沉淀。将沉淀用去离子水洗涤，在空气中干燥后得到水合草酸亚铁纳米棒结构。将以上步骤得到的干燥粉体于350℃下热处理2小时，然后冷却至室温得到介孔α相三氧化二铁纳米棒结构。
实施例6：
称取1mmol草酸溶解于10mL的N，N-二甲基乙酰胺(DMA)中，得到无色透明溶液。向其中加入硫酸亚铁铵的水溶液(0.2M，5mL)，搅拌得到水合草酸亚铁沉淀。将沉淀用去离子水洗涤，在空气中干燥后得到水合草酸亚铁纳米棒结构。将以上步骤得到的干燥粉体于350℃下热处理2小时，然后冷却至室温得到介孔α相三氧化二铁纳米棒结构。
实施例7：
称取1mmol草酸溶解于10mL的N-甲基吡咯烷酮(NMP)中，得到无色透明溶液。向其中加入氯化亚铁的水溶液(0.2M，5mL)，搅拌得到水合草酸亚铁沉淀。将沉淀用去离子水洗涤，在空气中干燥后得到水合草酸亚铁多层纳米片结构。将以上步骤得到的干燥粉体于300℃下热处理2小时，然后冷却至室温得到介孔α相三氧化二铁多层纳米片结构。
实施例8：
称取1mmol草酸溶解于10mL的N-甲基吡咯烷酮(NMP)中，得到无色透明溶液。向其中加入硫酸亚铁的水溶液(0.2M，5mL)，搅拌得到水合草酸亚铁沉淀。将沉淀用去离子水洗涤，在空气中干燥后得到水合草酸亚铁多层纳米片结构。将以上步骤得到的干燥粉体于300℃下热处理2小时，然后冷却至室温得到介孔α相三氧化二铁多层纳米片结构。
实施例9：
称取1mmol草酸溶解于10mL的N-甲基吡咯烷酮(NMP)中，得到无色透明溶液。向其中加入硫酸亚铁铵的水溶液(0.2M，5mL)，搅拌得到水合草酸亚铁沉淀。将沉淀用去离子水洗涤，在空气中干燥后得到水合草酸亚铁多层纳米片结构。将以上步骤得到的干燥粉体于300℃下热处理2小时，然后冷却至室温得到介孔α相三氧化二铁多层纳米片结构。
Claims (2)
1.一种α相三氧化二铁的制备方法，其特征在于具体步骤依次为：
水合草酸亚铁纳米结构的可控合成：
将草酸溶解于有机溶剂中得到无色透明溶液，然后向其中加入二价铁离子的水溶液，搅拌得到水合草酸亚铁沉淀；将沉淀用去离子水洗涤，在空气中干燥后得到浅黄色的水合草酸亚铁粉体，所述的有机溶剂选自乙二醇、N，N-二甲基乙酰胺或N-甲基吡咯烷酮；
介孔α相三氧化二铁纳米结构的制备：
将浅黄色的水合草酸亚铁粉体于300-350℃下热处理0.5-3小时，然后冷却至室温得到纳米结构的α相三氧化二铁。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于二价铁离子的水溶液为氯化亚铁的水溶液、硫酸亚铁的水溶液以及硫酸亚铁铵的水溶液中的任何一种。
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