CN102764654A - 一类基于FexOy的无机纳米复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公布了一类无机纳米复合材料FexOy/M的制备方法，包括混合M的前驱体溶液，制得的Fe3O4纳米团簇和适当的强碱溶液，在一定温度水热处理一定时间，得到产物经分离-清洗、干燥处理，即得无机纳米复合材料FexOy/M，其中FexOy为Fe3O4或Fe2O3，M为NiO、BiFeO3、La(OH)3、Cd(OH)2、CuO、FeOOH中的一种或两种的混合物。本发明提供了一种简便、普适的制备方法，突破了以前的制备技术仅能制备一种组成的复合材料或一种形貌的无机纳米复合材料的局限性，是制备技术的一个较大进步。制得的纳米复合材料在纳米催化、太阳能转换、锂离子电池、气敏型器件等领域具有应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一类无机纳米复合材料及其制备方法，尤其是涉及一类基于FexOy的无机纳米复合材料及其制备方法。
背景技术
自20世纪80年代以来，纳米材料因其独特的光、电、声、热和磁等性质和在生物医药、环境治理、和工业催化等领域诱人的的应用前景，发展迅速。纳米复合材料是两种或两种以上的纳米材料的复合体，这类复合材料不仅具有纳米材料的特性，还可以实现不同材料的性质和功能的集成，赋予了纳米材料新的功能，拓宽了纳米材料的应用空间。基于FeOx的纳米复合材料因其磁学性质、催化性质、光学性质受到越来越多的关注。例如，Fe3O4与半导体量子点CdS的复合可实现磁学性质和荧光性质的集成；又如，Fe3O4与TiO2等催化剂的复合可实现催化反应结束后催化剂的方便磁回收和循环使用。
基于纳米复合材料的广阔应用前景，纳米复合材料的制备受到越来越多的关注。目前制备基于FeOx的纳米复合材料的方案主要为如下三种：（1）以刚性载体（C，SiO2，聚合物）作为FeOx和另一纳米材料的共同载体实现二者的有效复合。例如，新加坡南洋理工大学的杨艳辉等人，利用常压高温热反应和溶剂热过程先后将Fe3O4和Pt负载到还原氧化石墨烯（rGO）上，得到了双功能的rGO无机纳米复合材料；（2）以多功能柔性有机分子为偶联剂，实现FeOx与另一无机纳米材料的复合。例如，我们曾利用聚丙烯酸的偶联作用实现了铁酸盐与金属、氧化物、硫化物和氟化物等的有效复合（专利申请号：）；（3）刚性载体与多功能柔性有机分子的共同作用，实现FeOx与另一无机纳米复合材料的制备方法。例如，SiO2和硅烷偶联剂（Angew.Chem.Int.Ed.,2006,45,4789–4793）以及C和含羧酸的有机分子（J.Phys.Chem.C,2008,112,472-475）是最常见的刚性载体和柔性有机分子联合使用的例子。（4）利用溶胶-凝胶法（Sol-Gel）、浸渍和原位氧化-还原反应等过程实现FeOx与另一组分的直接复合。例如，北京化工大学的刘俊峰等人，先后通过水热、浸渍和煅烧等过程得到了海胆形貌的Ag-α-Fe2O3复合纳米材料（J.Mater.Chem.,2012,22,7232-7238）；孙守恒等人则利用高温热分解法制备了FeO，并对其表面进行部分氧化，得到了核壳结构的FeO/Fe3O4纳米复合材料。目前，虽然出现了很多制备基于FeOx的无机纳米复合材料的方法，但复合纳米材料的类型仍然较贫乏，普适的制备纳米复合材料的方法少，且同一种方法制得的复合材料的形貌多为单一的一种。开发普适的方法制备不同组成和不同相貌的复合纳米材料，仍存在一定的挑战性。
发明内容
本发明要解决的第一个技术问题在于提供一类基于FexOy的无机纳米复合材料。
本发明要解决的第二个技术问题在于提供一类基于FexOy的无机纳米复合材料的制备方法。
为解决上述第一个技术问题，本发明一类基于FexOy的无机纳米复合材料,分子式为FexOy/M；其中x为2，y为3；或x为3，y为4；其中M为NiO、BiFeO3、La(OH)3、Cd(OH)2、CuO、FeOOH中的一种或两种的混合物。
为解决上述第二个技术问题，本发明一类基于FexOy的无机纳米复合材料的制备方法，
包括如下步骤：
将0.05-5mmol金属盐加入到12-40ml去离子水中，搅拌至完全溶解；
加入0.02-1gFe3O4纳米团簇，搅拌至混合均匀，混合时间≥0.5h，加入5-25ml浓度为0.2-3mol L-1的强碱、弱酸强碱中的一种或两种以上的水溶液，优选逐滴加入，搅拌至混合均匀，混合时间≥15min，得到溶液A；
将溶液A在140~220℃热处理4-60h后，自然冷却至室温；
分离其中的固体，清洗，处理后即得FexOy/M无机纳米复合材料。
进一步地，所述的金属盐为硝酸盐，硫酸盐、氯化物中的一种或两种以上的混合物；所述的金属盐中的金属离子为Ni2+、Bi3+、La3+、Cd2+、Cu2+、Fe3+中的一种或两种的混合物。
进一步地，所述的强碱溶液是指碱金属、碱土金属的氢氧化物中的一种或两种以上的混合物。
进一步地，所述的强碱弱酸盐是指醋酸盐、碳酸盐中的一种或两种以上的混合溶液。
进一步地，所述的热处理的条件为：在自动泄压不锈钢高压消解罐中反应。
进一步地，所述的分离是指利用磁分离或离心分离。
进一步地，所述x为2，y为3；或x为3，y为4；所述M为NiO、BiFeO3、La(OH)3、Cd(OH)2、CuO、FeOOH中的一种或两种的混合物。
本发明的有益效果：
1）本发明制备了新型FexOy/M无机纳米复合材料，丰富了无机纳米复合材料的种类。这类复合材料实现了FexOy与M的性能集成和优化，在纳米催化、太阳能转换、锂离子电池、气敏型器件等领域都有明显的应用前景。
2）本发明的制备方法具有步骤简便、产率高的特点，适合批量生产，且可推广到其它类型无机纳米复合材料的制备。
3）本发明实现了利用一种通用的方法制备多种基于FeOx的不同组成（包括Fe3O4/NiO,Fe3O4/BiFeO3和Fe2O3/La(OH)3等）和不同形貌（包括空心多面体、核壳和带状等）的无机纳米复合材料，突破了以前的制备技术仅能制备一种组成的复合材料或一中形貌的无机纳米复合材料的局限性，是制备技术的一个较大进步。
附图说明
图1.实施例1中无机纳米复合材料Fe3O4/NiO的电镜照片。
图2.实施例3中无机纳米复合材料Fe3O4/BiFeO3的电镜照片。
图3.实施例6中无机纳米复合材料Fe2O3/La(OH)3的电镜照片。
具体实施方式
实施例1：
1）将0.5mmol Ni(NO3)2·6H2O加入到25ml去离子H2O中，室温搅拌至完全溶解，将0.08g Fe3O4纳米团簇（Fe3O4纳米团簇的合成参考Angew.Chem.Int.Ed.2005,44,2782-2785）加入所得澄清溶液，室温搅拌≥0.5h，然后逐滴加入10ml0.5mol L-1的NaOH水溶液,室温搅拌≥15min。
2）将1）中得到的溶液转移到50ml带有聚四氟乙烯内衬的自动泄压不锈钢高压消解罐(滨海县正红塑料厂，型号：50ml)中，在180℃处理24h后，自然冷却至室温；
3）将2）中得到的溶液磁分离，并将分出的固体用乙醇和水的混合溶剂在超声条件下清洗，经过磁分离-超声清洗循环3-5次，最后得将清洗干净的固体，40℃真空干燥，即得无机纳米复合材料Fe3O4/NiO。
图1为该无机纳米复合材料Fe3O4/NiO的电镜照片，通过图1可看出，制得的复合纳米材料为空心的多面体形貌。
实施例2：
重复实施例1，区别仅在于在180℃处理4h,即得无机纳米复合材料Fe3O4/NiO。
实施例3：
重复实施例1，区别仅在于用Bi(NO3)3·5H2O代替Ni(NO3)2·6H2O，即得无机纳米复合材料Fe3O4/BiFeO3。图2为该无机纳米复合材料Fe3O4/BiFeO3的电镜照片，通过图2可看出，制得的复合纳米材料为球形形貌。
实施例4：
重复实施例3，区别仅在于用0.02g Fe3O4纳米团簇代替0.08g Fe3O4纳米团簇，得无机纳米复合材料Fe3O4/BiFeO3。
实施例5：
重复实施例3，区别仅在于用1g Fe3O4纳米团簇代替0.08g Fe3O4纳米团簇，得无机纳米复合材料Fe3O4/BiFeO3。
实施例6：
1）重复实施例1的步骤1）和2），区别仅在于用La(NO3)3·6H2O代替Ni(NO3)2·6H2O。2）将1）中得到的溶液离心分离，并将分出的固体用乙醇和水的混合溶剂在超声条件下清洗，经过离心分离-超声清洗循环3-5次，最后得将清洗干净的固体，40℃真空干燥，即得无机纳米复合材料Fe2O3/La(OH)3。图3为该无机纳米复合材料Fe3O4/La(OH)3的电镜照片通过图3可看出，制得的复合纳米材料为带状形貌。
实施例7：
重复实施例2，区别仅在于在180℃处理60h，即得无机纳米复合材料Fe3O4/BiFeO3。
实施例8：
重复实施例6，区别仅在于在140℃处理36h，即得无机纳米复合材料Fe3O4/La(OH)3。
实施例9：
重复实施例6，区别仅在于在220℃处理24h，即得无机纳米复合材料Fe3O4/La(OH)3。
实施例10：
重复实施例3，区别仅在于用用12ml去离子H2O代替20ml去离子H2O，20ml3molL-1的NaAc代替10ml0.5mol L-1的NaOH，得无机纳米复合材料Fe3O4/BiFeO3。
实施例11：
重复实施例1，区别仅在于用0.05mmol Ni(NO3)2·6H2O代替0.5mmol Ni(NO3)2·6H2O，用40ml H2O代替20ml H2O，用5ml0.5mol L-1KOH代替10ml0.5mol L-1NaOH,得无机纳米复合材料Fe3O4/NiO。
实施例12：
重复实施例3，区别仅在于用0.25mol L-1的Mg(OH)2代替0.5mol L-1的NaOH，得无机纳米复合材料Fe3O4/BiFeO3。
实施例13：
重复实施例1，区别仅在于用用5mmol Ni(NO3)2·6H2O代替0.5mmol的Ni(NO3)2·6H2O,用25ml0.5mol L-1NaOH代替10ml0.5mol L-1NaOH，得无机纳米复合材料Fe3O4/NiO。
实施例14：
重复实施例6，区别仅在于用Fe(NO3)3·9H2O代替Ni(NO3)2·6H2O,用25ml0.5molL-1NaOH，得无机纳米复合材料Fe2O3/FeOOH。
实施例15：
重复实施例6，区别仅在于用Cu(NO3)2·3H2O代替Ni(NO3)2·6H2O，得无机纳米复合材料Fe2O3/CuO。
实施例16：
重复实施例6，区别仅在于用Cd(NO3)2·4H2O代替Ni(NO3)2·6H2O，得无机纳米复合材料Fe2O3/Cd(OH)2。
实施例17：
重复实施例6，区别仅在于用0.25mmol Bi(NO3)3·5H2O+0.25mmol Ni(NO3)2·6H2O代替0.5mmol Ni(NO3)2·6H2O，得无机纳米复合材料Fe3O4/NiO/BiFeO3。
实施例18：
重复实施例6，区别仅在于用0.25mol Cu(NO3)2·3H2O+0.25mmol Fe(NO3)3·9H2O代替0.5mmol Ni(NO3)2·6H2O，得无机纳米复合材料Fe2O3/CuO/FeOOH。
实施例19：
重复实施例6，区别仅在于用0.25mol Cd(NO3)2·4H2O+0.25mmol La(NO3)3·6H2O代替0.5mmol Ni(NO3)2·6H2O，得无机纳米复合材料Fe2O3/La(OH)3/Cd(OH)2。
实施例20：
重复实施例1，区别仅在于用NiCl2·6H2O代替Ni(NO3)2·6H2O，得无机纳米复合材料Fe3O4/NiO。
实施例21：
重复实施例1，区别仅在于用NiSO4·H2O代替Ni(NO3)2·6H2O，得无机纳米复合材料Fe3O4/NiO。
实施例21：
重复实施例1，区别仅在于用0.25mol NiSO4·H2O+0.25mmol Ni(NO3)2·6H2O代替0.5mmol Ni(NO3)2·6H2O，得无机纳米复合材料Fe3O4/NiO。
实施例22：
重复实施例3，区别在于用10ml2mol L-1的NaAc+5ml0.5ml NaOH代替10ml0.5mol L-1的NaOH，得无机纳米复合材料Fe3O4/BiFeO3。
实施例23：
1）将0.5mmol Ni(NO3)2·6H2O加入到25ml去离子H2O中，室温搅拌至完全溶解，将0.08g Fe3O4纳米团簇（Fe3O4纳米团簇的合成参考Angew.Chem.Int.Ed.2005,44,2782-2785）加入所得澄清溶液，室温搅拌≥0.5h，然后逐滴加入5ml0.2mol L-1的NaOH和5ml0.2mol L-1的Mg(OH)2水溶液,室温搅拌≥15min；
2）将1）中得到的溶液转移到50ml带有聚四氟乙烯内衬的自动泄压不锈钢高压消解罐(滨海县正红塑料厂，型号：50ml)中，在180℃处理24h后，自然冷却至室温；
3）将2）中得到的溶液离心分离，并将分出的固体用乙醇和水的混合溶剂在超声条件下清洗，经过磁分离-超声清洗循环3-5次，最后得将清洗干净的固体，100℃真空干燥，即得无机纳米复合材料Fe3O4/NiO。
实施例24：
重复实施例1，其不同之处仅在于步骤1）中加入10ml0.5mol L-1的Na2CO3。
实施例25：
重复实施例1，其不同之处仅在于步骤1）中加入5ml0.5mol L-1的Na2CO3和5ml0.5mol L-1的Na2Ac。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
Claims (8)
1.一类基于FexOy的无机纳米复合材料，其特征在于，所述复合材料的分子式为FexOy/M；其中x为2，y为3；或x为3，y为4；其中M为NiO、BiFeO3、La(OH)3、Cd(OH)2、CuO、FeOOH中的一种或两种的混合物。
2.如权利要求1所述的一类基于FeOx的无机纳米复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
将0.05-5 mmol金属盐加入到12-40 ml去离子水中，搅拌至完全溶解；
加入0.02-1g Fe3O4纳米团簇，搅拌至混合均匀，加入5-25 ml 浓度为0.2-3 mol L-1的强碱、弱酸强碱中的一种或两种以上的水溶液，搅拌至混合均匀，得到溶液A；
将溶液A在140~220 oC热处理4-60 h后，自然冷却至室温；
分离其中的固体，清洗，即得FexOy/M无机纳米复合材料。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述的金属盐为硝酸盐、硫酸盐、氯化物中的一种或两种以上的混合物；所述的金属盐中的金属离子为Ni2+、Bi3+、La3+、 Cd2+、Cu2+、 Fe3+中的一种或两种的混合物。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述的强碱溶液是指碱金属、碱土金属的氢氧化物中的一种或两种以上的混合物。
5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述的强碱弱酸盐是指醋酸盐、碳酸盐中的一种或两种以上的混合溶液。
6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述的热处理的条件为：在自动泄压不锈钢高压消解罐中反应。
7.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述的分离是指利用磁分离或离心分离。
8.根据权利要求2所述的一类无机纳米复合材料的制备方法，其特征在于所述x为2，y为3；或x为3，y为4；所述M为NiO、BiFeO3、La(OH)3、Cd(OH)2、CuO、FeOOH中的一种或两种的混合物。
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