CN103145106B - 一种氮化铁纳米粉体的制备方法及其高压气固反应床 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种氮化铁纳米粉体的制备方法及其高压气固反应床，节能高效的制备氮化铁纳米粉体。本发明方法包括：将铁盐与碱性沉淀剂在反应器中快速混合反应得到氢氧化铁粉末；把氢氧化铁粉末放入高压气固反应床内，通入氨气和储气罐气体进行反应；在密封情况下把反应物生成物卸入到储料罐内，最终获得所需晶型的氮化铁纳米粉体。本发明高压气固反应床包括：气体分布器、粉体托网、加热器、快接器、储料罐阀门、储料罐、加热电源及热电偶、气体入口阀门、气体入口、气体出口阀门、气体出口、反应床侧壁和通气阀门。本发明操作简单，节约能源，反应器设备可以并联，具有批次产量大等优势。

Description

一种氮化铁纳米粉体的制备方法及其高压气固反应床
技术领域
本发明涉及金属氮化物纳米粉体制备方法及其装置，特别是一种氮化铁纳米粉体的制备方法及其高压气固反应床。
背景技术
固态氮化物因具有工程应用特性而受到关注。例如一些过渡金属氮化物强度高、硬度大，而且具有良好的导热和导电性能。氮化铁具有很好的硬度和耐腐蚀性，在机械加工和金属表面处理等领域有着广泛应用，氮化铁是一种良好的磁性材料，纳米尺度的氮化铁更是制备磁性液体和磁性器件的理想原料，在催化领域，氮化铁是许多反应有效的催化剂，例如，对于合成氨、费托合成及肼分解反应的催化作用，已受到了人们的高度重视。
氮化铁磁流体是近十几年来发展起来的新型功能材料，由于其既具有磁性，又具有流动性，有着一般固体磁性材料不具备的优势，它在化工、机械、仪表、环保和医疗等方面得到了广泛的应用，其中磁流体密封、磁流体发电和磁流体分离对环保和节能有非常重要的意义，如完全无泄漏动态非接触式密封、磁流体发电、磁印刷、倾斜传感器、阻尼器件、磁液扬声器、新型润滑剂、矿物分离、磁粒阀门和磁性油墨等。
中国专利公开(公告)号:CN101628712，名称：一种制备单相纳米ε-Fe3N或γ′-Fe4N粉体的方法和装置，该方法及装置采用抽真空、强制气体循环，然后进行等离子体蒸发制粉,再进行粉体改性的技术方案。通过精确的反应气氛控制，可确保产品为高纯度、单相、纳米氮化铁粉体。
上述公开的方法及装置的主要缺点是：采用等离子体制粉量小，气流输送纳米粉体困难且很难全部收集，纳米粉体颗粒尺寸小很容易堵塞管路，在真空或常压下反应温度高浪费能源。
发明内容
本发明提供了一种氮化铁纳米粉体的制备方法及其高压气固反应床，节能高 效的制备氮化铁纳米粉体。
本发明提供的一种氮化铁纳米粉体的制备方法包括以下步骤：
一.将铁盐放入容器中，用水和质量百分比20%-40%无水乙醇配制得稳定的前体溶液A，前体溶液A的浓度为0.5-1.2mol／L；取碱性沉淀剂溶解于二次蒸馏水中配制成稳定的前体溶液B，前体溶液B的浓度为0.5-1.2mol／L；将前体溶液A与B在反应器中快速混合反应得到沉淀前驱体，经过去离子水过滤洗涤、干燥，得到氢氧化铁深红色粉末；
二.把前驱体氢氧化铁深红色粉末放入高压气固反应床内，通入氨气和储气罐气体，储气罐中气体为反应系统中的混合气体，调整氨气和储气罐气体比为1：2-3，进行密闭循环反应，通过加热电源及热电偶控制高压气固反应床加热温度为250-350℃，循环系统压力保持在0.1-0.8MPa，如压力下降，排除反应生成的水，再按上述氨气和储气罐气体比补充气体，经过3-5小时反应，在压力不变的情况下进行下一步氮化；
三.氮化阶段，把高压气固反应床加热温度提升至350-450℃，调整氨气和储气罐气体比例为3:1-1.5，调整压力在0.1-0.8MPa范围内，保持系统压力不变，保持温度2-4h，在密封情况下把反应物生成物卸入到储料罐内，然后向储料罐内通入氩气降至室温，最终获得所需晶型的氮化铁纳米粉体。
步骤一所述铁盐包括：FeCl3·6H2O、FeCl2·4H2O、Fe(NO3)3和Fe2(SO4)3；碱性沉淀剂包括：NaOH和NH3H2O。
一种氮化铁纳米粉体的制备方法采用的高压气固反应床，包括：气体分布器、粉体托网、加热器、快接器、储料罐阀门、储料罐、加热电源及热电偶、气体入口阀门、气体入口、气体出口阀门、气体出口、反应床侧壁和通气阀门，气体分布器在高压气固反应床底部，下面连接气体入口阀门和气体入口，气体分布器上面是粉体托网，加热器装在反应床侧壁内，加热电源及热电偶装在反应床侧壁上，连接加热器，反应床分三段加热和控温，加热器上方通过管道连接快接器、储料罐阀门、储料罐，加热器上方管道的侧面连接气体出口阀门、气体出口，通气阀门装在储料罐肩部。
本发明与现有同类方法及装置相比，其显著的有益效果体现在：
1.采用高压气固反应床，增加了反应床内的压力控制，通过调控压力可以控制氮化铁纳米粉体晶型；
2.消除了气体流经过前躯体粒子时的短路通道，提高了气体的一次利用率；
3.依赖气压差的驱动，反应气体在不断从纳米粒子团聚体内部穿透、经过，反应气体能够顺利地直接流经每一个纳米的表面；相应地单位质量粉体所对应的气-固两相扩散交界面面积增大好几个数量级；
4.反应气的扩散距离的数量级缩短到纳米粒子半径大小，气-固两相扩散交界面面积数量级增大，极大地改善反应气（氨气或氢气）与纳米粉体混合与接触的反应条件。大幅度降低反应温度，为所生成纳米粒子粒径变小提供条件。
5.本发明操作简单，节约能源，反应器设备可以并联，具有批次产量大等优势。
附图说明
图1是一种氮化铁纳米粉体的制备方法工艺流程示意图。
图2是一种氮化铁纳米粉体的制备方法采用的高压气固反应床结构示意图。
图中：1.气体分布器；2.粉体托网；3.加热器；4.快接器；5储料罐阀门；6储料罐；7加热电源及热电偶；8气体入口阀门；9气体入口；10气体出口阀门；11气体出口；12反应床侧壁；13通气阀门。 
图3是一种氮化铁纳米粉体的制备方法生产的Fe4N纳米粉体透射电镜图片（350℃）。
图4是一种氮化铁纳米粉体的制备方法生产的Fe4N纳米粉体X射线衍射图图片。
图5是一种氮化铁纳米粉体的制备方法生产的Fe4N纳米粉体透射电镜图片（380℃）。
图6是一种氮化铁纳米粉体的制备方法生产的Fe3N纳米粉体X射线衍射图图片。
具体实施方式
实施例1
如图1、图2所示，产品粒径在平均50±5nm的Fe4N纳米粉体的制备方法及高压气固反应床装置，具体操作步骤如下：
一.称取1692克FeCl3·6H2O放入容器中，用8L水和2L无水乙醇配制成稳定的前体溶液A；取751.47克氢氧化钠，溶解于10L二次蒸馏水中配制成稳定的前体溶液B；将前体溶液A、B在反应器中快速混合反应得到沉淀前驱体，经过去离子水过滤洗涤、干燥,得到深红色氢氧化铁粉末。
二.把前驱体氢氧化铁粉末通过加热器3上方管道连接快接器4的开口，放入高压气固反应床内，首先通过气体入口9通入氮气清洗系统，然后关闭氮气通气阀门，再通过气体入口9同时通入氨气和储气罐气体，储气罐气体是通过高压气固反应床出来经过冷凝器、干燥器的气体再加上补充氢气的混合气体，用流量计阀门调整氨气和储气罐气体比为1：2-3，两种气体同时流过气体分布器1和粉体托网2，与粉体托网2上氢氧化铁粉末进行反应，通过加热电源及热电偶7、及反应床侧壁12内的加热器3，控制高压气固反应床温度为300℃；通过循环系统排气阀控制系统压力，保持系统压力在0.1-0.8MPa，如压力下降到0.3MPa以下，通过冷凝器下的排水阀排除反应生成的水，再按上述氨气和储气罐气体比补充气体，经过3-5小时反应，在系统压力保持不变的情况下，进行下步氮化反应。
三.通过加热器3把高压气固反应床温度提升至350℃，分别用流量计阀门将氨和储气罐气体通入比例调整到3:1-1.5，通过循环系统排气阀控制系统压力，保持系统压力在0.3-0.4MPa，保持温度3.5-4h，关闭入口气体阀门8和出口气体阀门10，断开加热电源，在密封情况下把反应生成物通过快接器4、储料罐阀门5卸入储料罐6内，然后往装有反应生成物的储料罐内6通过通气阀门13通入氩气，用储料罐阀门5排出其他气体，关闭储料罐阀门5和通气阀门13降至室温，最终获得Fe4N纳米粉体。如图3所示，为Fe4N纳米粉体透射电镜图片（350℃），产品粒径在平均50±5nm。粉体晶型，如图4所示，为Fe4N纳米粉体X射线衍射图图谱。
实施例2
如图1、图2所示，粒径在平均80±5nm的Fe4N纳米粉体的制备方法及其高压气固反应床，具体操作步骤如下：
步骤一、步骤二同实施例1。
步骤三，通过加热器3把高压气固反应床温度提升至380℃，其它同过程同实施例1，最终获得Fe4N纳米粉体，产品粒径在平均80±5nm。如图5所示，为 Fe4N纳米粉体透射电镜图片（380℃）。
实施例3：
如图1、图2所示，Fe3N纳米粉体的制备方法及其高压气固反应床，具体操作步骤如下：
步骤一、步骤二同实施例1。
步骤三，用循环系统排气阀控制保持系统压力在0.4-0.5MPa，其它过程同实施例1，最终获得Fe3N纳米粉体。如图6所示，为Fe3N纳米粉体X射线衍射图图谱。

Claims (3)

1.一种氮化铁纳米粉体的制备方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
一.将铁盐放入容器中，用水和质量百分比20％-40％无水乙醇配制得稳定的前体溶液A，前体溶液A的浓度为0.5-1.2mol/L；取碱性沉淀剂溶解于二次蒸馏水中配制成稳定的前体溶液B，前体溶液B的浓度为0.5-1.2mol/L；将前体溶液A与B在反应器中快速混合反应得到沉淀前驱体，经过去离子水过滤洗涤、干燥，得到氢氧化铁深红色粉末；
二.把前驱体氢氧化铁深红色粉末放入高压气固反应床内，通入氨气和储气罐气体，储气罐气体是通过高压气固反应床出来经过冷凝器、干燥器的气体再加上补充氢气的混合气体，调整氨气和储气罐气体比为1：2-3，进行密闭循环反应，通过加热电源及热电偶控制高压气固反应床加热温度为250-350℃，循环系统压力保持在0.1-0.8Mpa，如压力下降，排除反应生成的水，再按上述氨气和储气罐气体比补充气体，经过3-5小时反应，在压力不变的情况下进行下一步氮化；
三.氮化阶段，把高压气固反应床加热温度提升至350-450℃，调整氨气和储气罐气体比例为3:1-1.5，调整压力在0.1-0.8Mpa范围内，保持系统压力不变，保持温度2-4h，在密封情况下把反应生成物卸入到储料罐内，然后向储料罐内通入氩气降至室温，最终获得所需晶型的氮化铁纳米粉体。
2.根据权利要求1所述的一种氮化铁纳米粉体的制备方法，其特征在于步骤一所说的铁盐包括：FeCl3·6H2O、FeCl2·4H2O、Fe(NO3)3和Fe2(SO4)3；碱性沉淀剂包括：NaOH和NH3·H2O。
3.权利要求1所述一种氮化铁纳米粉体的制备方法采用的高压气固反应床，其特征在于该反应床包括：气体分布器、粉体托网、加热器、快接器、储料罐阀门、储料罐、加热电源及热电偶、气体入口阀门、气体入口、气体出口阀门、气体出口、反应床侧壁和通气阀门，气体分布器在高压气固反应床底部，下面连接气体入口阀门和气体入口，气体分布器上面是粉体托网，加热器装在反应床侧壁内，加热电源及热电偶装在反应床侧壁上，连接加热器，反应床分 三段加热和控温，加热器上方通过管道连接快接器、储料罐阀门、储料罐，加热器上方管道的侧面连接气体出口阀门、气体出口，通气阀门装在储料罐肩部。
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