CN104803421B - 尖晶石型复合铁酸盐纳米管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种尖晶石型复合铁酸盐磁性纳米管及其制备方法，成分包括Fe与Zn、Co、Ni和Mn中的一种或两种形成的复合尖晶石型金属氧化物，首先以聚乙烯吡咯烷酮、金属盐和溶剂制得纺丝原液，然后通过静电纺丝工艺制备出复合纤维，最后将所得到的纤维在合适的温度下进行分段煅烧来获得尖晶石型复合铁酸盐磁性纳米管。本发明的技术路线具有合成工艺简单，操作简便，过程易于控制，原料来源广泛，成本低廉等优点，适合企业进行大批量生产；采用分段煅烧工艺可以更加准确且方便的控制纳米管形貌，产物的形貌均匀、具有更大的比表面积，可进一步负载其它材料形成复合功能材料。
Description
技术领域
本发明属于无机非金属纳米材料制备技术领域，涉及一种尖晶石型复合铁酸盐纳米管及其制备方法。
背景技术
尖晶石型复合氧化物是由两种或两种以上的过渡金属氧化物形成的金属复合氧化物，二元金属氧化物的分子式为AB2O4，其中A为二价金属，B为3价金属。尖晶石型复合氧化物，例如铁酸盐是性能优良的半导体材料和重要的磁性材料，具有良好的吸波、催化、磁学、吸附性能以及高化学稳定性，已经广泛应用在信息存储、催化合成和吸附重金属离子等诸多领域。由于自身独特的结构，铁酸盐纳米管除拥有一般铁酸盐材料的特点外，还具有较小的比重、较大的比表面积和较高的表面活性，有利于负载其它物质形成复合功能材料以提高铁酸盐材料在催化方面的性能，更有望作为药物载体在医药生物领域产生应用。然而，目前介绍铁酸盐纳米管制备方法的中国专利还比较罕见，而在文献中介绍的制备铁酸盐纳米管的方法主要是硬模板法。比如，吕丽娅等利通过简单的化学方法用自制的阳极氧化铝(AAO)模板合成了不同孔径的 CoFe2O4纳米管（磁性材料及器件,2007, 38:15-18）；Liu等也以AAO为模板用溶胶凝胶法制备出了ZnFe2O4纳米管阵列（Acta Materialia,2009,57:2684-2690）。这些用硬模板法制备的纳米管在去除模板的过程中容易破碎，且制备过程较为复杂，在实际应用中受到较大的限制。因此目前，发展一种合适的方法制备形貌完整的铁酸盐纳米管仍是一项挑战。
静电纺丝技术是一种制备一维纳米材料的有效方法，目前已被广泛应用于制备无机氧化物纤维。该方法较其它方法的优势在于产物产量高、纤维直径可控且价格低廉。除了实心纤维以外，近年来的一些研究表明静电纺丝技术还可被用来制备空心纤维，一些利用该技术制备的金属氧化物的纳米管已在文献中多有报道。比如，中国专利（CN 102557148A）就介绍了一种采用静电纺丝法合成α相三氧化二铁纳米管的方法，也有英文文献报道了采用静电纺丝工艺制备氧化锌、氧化铜纳米管的方法（J.Phys.Chem.C,2009,113:19397-19403;CrystEngComm, 2011, 13: 4856-4860）。因此，静电纺丝技术有可能成为制备铁酸盐纳米管的一种有效手段。然而，至今为止，利用该技术制备纳米管的文献还比较罕见，仅有一些文献报道用这一技术制备出了实心的铁酸盐纤维（J.Phys.Chem.C, 2008,112:15171-15175; J.Phys.Chem.B,2008,112:11292-11297）。因此，寻求一种简便、通用的利用静电纺丝技术合成铁酸盐纳米管的方法对科学研究与实际生产都具有重要的意义和价值。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中的存在的上述问题，提供一种尖晶石型复合铁酸盐纳米管；本发明还提供了上述尖晶石型复合铁酸盐纳米管的制备方法，首先通过静电纺丝工艺合成金属盐与聚乙烯吡咯烷酮（PVP）的复合纳米纤维，然后通过分段煅烧制备尖晶石型复合铁酸盐纳米管。
本发明的技术方案为：
一种尖晶石型复合铁酸盐磁性纳米管，成分包括Fe与Zn、Co、Ni和Mn中的一种或两种形成的复合尖晶石型金属氧化物；
所述的复合尖晶石型金属氧化物为磁性材料或非磁性材料，优选ZnFe2O4、CoFe2O4、NiFe2O4、MnFe2O4或CoxNi1-xFe2O4等，其中0<x<1。
上述尖晶石型复合铁酸盐磁性纳米管制备方法，包括以下步骤：
（1）称取金属盐，加入溶剂中，充分搅拌溶解，至溶液均匀透明，加入聚乙烯吡咯烷酮，混合搅拌均匀，得到透明粘稠的纺丝原液；
（2）将步骤（1）制备的纺丝原液进行静电纺丝，得到金属盐与聚乙烯吡咯烷酮的复合纳米纤维；
（3）将步骤（2）制备的复合纳米纤维进行分段煅烧，即第一阶段按照1～5℃/min的速率升温至250～300℃，保温0～5min，第二阶段按照10～15℃/min的速率从250～300℃升温至450～700℃，并在该温度下煅烧2～4h，然后随炉冷却至室温，即得到尖晶石型复合铁酸盐纳米管。
步骤（1）中，所述的金属盐为Fe盐与Zn、Co、Ni和Mn中的一种或两种过渡金属盐，优选上述金属的硝酸盐或硫酸盐，如Fe(NO3)3•9H2O、Zn(NO3)2•6H2O、Co(NO3)2•6H2O、Ni(NO3)2•6H2O、Mn(NO3)2、MnSO4•H2O和Ni(SO4)2•6H2O等；
步骤（1）中所述的溶剂为N, N-二甲基甲酰胺（DMF），所述的聚乙烯吡咯烷酮的平均分子量为1300000。
步骤（1）中所述的金属盐中，Fe盐摩尔百分含量为33～66%。
步骤（1）中所述的金属盐的总质量与聚乙烯吡咯烷酮的质量比为0.5～1.2：1，所述的金属盐的总质量与溶剂质量比为0.12～0.21:1，所述的纺丝原液中聚乙烯吡咯烷酮的质量浓度为14～24 wt%。
步骤（2）中所述静电纺丝的条件是针头和接收器之间的距离为 10～20 cm，电压在14～20kV，纺丝液推进速度为 0.4～1.2 mL/h，室内温度为15～40℃，相对湿度为10～40%。
步骤（3）中的煅烧过程中两种金属盐发生固相反应，形成尖晶石型复合铁酸盐纳米管。
本发明方法选用的溶剂N, N-二甲基甲酰胺具有很好的溶解性，可以溶解大多数金属盐得到透明均匀的溶液，适合作为一种通用的溶剂体系来生产各种铁酸盐材料。此外，该溶剂体系下制备的纺丝原液不易水解，能够较长时间的储存，使得大规模生产时产品的质量更加稳定。本发明通过分段煅烧的工艺，利用两个阶段不同的升温速率，巧妙的控制了纤维中金属盐和聚乙烯吡咯烷酮的分解过程，达到了制备铁酸盐纳米管的目的。本发明方法原料廉价，制备过程简便，样品形貌易于控制，适用于企业的大批量生产，所得产品在信息存储、吸波材料、催化合成和生物医药等领域有着广阔的应用前景。
本发明尖晶石型复合铁酸盐纳米管及其制备方法，相比于现有技术，具有如下的有益效果：
（1）本发明原料廉价易得，操作简便，可用于制备多种铁酸盐纳米管，适合企业进行大批量生产；
（2）本发明采用分段煅烧工艺可以更加准确且方便的控制纳米管形貌，使产物的形貌均匀；
（3）本发明制备的铁酸盐纳米管与块体材料和一般的实心纳米材料相比具有更大的比表面积，可进一步负载其它材料形成复合功能材料以提高铁酸盐纳米管的性能。
附图说明
图1为本发明实施例1合成的铁酸锌（ZnFe2O4）纳米管的扫描电镜图片。
图2为本发明实施例1合成的铁酸锌（ZnFe2O4）纳米管的X射线衍射图片。
图3为本发明实施例2合成的铁酸钴（CoFe2O4）纳米管的扫描电镜图片。
图4为本发明实施例3合成的铁酸镍（NiFe2O4）纳米管的X射线衍射图片。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步阐述，下述说明仅是为了解释本发明，并不对其内容进行限定。
本发明所选用的金属盐（硝酸盐或硫酸盐）、N,N二甲基甲酰胺（DMF）、聚乙烯吡咯烷酮（PVP，平均分子量为1300000）均为市售分析纯产品。
实施例1
（1）分别称取0.8080g Fe(NO3)3·9H2O 和0.2975g Zn(NO3)2·6H2O加入至盛有6mLDMF的烧杯中，搅拌直至全部溶解得到透明均匀的溶液，再加入1g PVP，混合搅拌均匀，得到透明粘稠的纺丝原液；
（2）将步骤（1）制备的纺丝原液倒入带有外径为0.8mm的不锈钢针头的注射器中进行静电纺丝，将室内温度和相对湿度分别控制在25℃和35%左右，针头与接收板的距离调整为15cm，纺丝液推进速度为0.9mL/h，静电纺丝过程的电压为15 kV，采用接收板收集得到两种金属盐与聚乙烯吡咯烷酮的复合纳米纤维；
（3）将步骤（2）制备的复合纳米纤维进行分段煅烧，第一阶段以1℃/min的升温速率，升温至300℃，保温时间为5min，第二阶段从300℃升温至500℃，采用15℃/min的升温速率，保温时间为3h，然后随炉冷却至室温，即得到本实施例尖晶石型复合铁酸盐纳米管，即铁酸锌（ZnFe2O4）纳米管。
如图1所示，从图中可以看出纳米管的直径约为180nm，而图2中的XRD图谱也表明该产物的衍射峰与ZnFe2O4标准卡片（JCPDS 22-1012）的衍射峰相符合，证明确实得到了ZnFe2O4纳米管。
实施例2
（1）分别称取0.8080g Fe(NO3)3·9H2O和0.2910g Co(NO3)2·6H2O加入到盛有6 mLDMF的烧杯中，搅拌直至全部溶解得到透明均匀的溶液，再加入1g PVP，混合搅拌均匀，得到透明粘稠的纺丝原液；
（2）将步骤（1）制备的纺丝原液倒入带有外径为0.8mm的不锈钢针头的注射器中进行静电纺丝，将室内温度和相对湿度分别控制在20℃和30%左右，针头与接收板的距离调整为15cm，纺丝液推进速度为0.7mL/h，静电纺丝过程的电压为16 kV，然后采用接收板收集得到两种金属盐与聚乙烯吡咯烷酮的复合纳米纤维；
（3）将步骤（2）中制备的复合纳米纤维进行分段煅烧，第一阶段以1℃/min的升温速率，升温至300℃，保温时间为4min，第二阶段从300℃升温至550℃，采用15℃/min的升温速率，保温时间为2h，然后随炉冷却至室温，即得到本实施例尖晶石型复合铁酸盐纳米管，即铁酸钴（CoFe2O4）纳米管。
如图3所示，从图中可以看出纳米管的形貌完整，直径约为160nm。
实施例3
（1）分别称取0.4040g Fe(NO3)3·9H2O和0.2907g Ni(NO3)2·6H2O依次加入盛有6mL DMF的烧杯中，搅拌直至全部溶解得到透明均匀的溶液，再加入1g PVP，混合搅拌均匀，得到透明粘稠的纺丝原液；
（2）将步骤（1）制备的纺丝原液倒入带有外径为0.8mm的不锈钢针头的注射器中进行静电纺丝，将室内温度和相对湿度分别控制在25℃和30%左右，针头与接收板的距离调整为17cm，纺丝液推进速度为0.9mL/h，静电纺丝过程的电压为15 kV，然后采用接收板收集得到两种金属盐与聚乙烯吡咯烷酮的复合纳米纤维；
（3）将步骤（2）中制备的复合纳米纤维进行分段煅烧，第一阶段以1℃/min的升温速率，升温至300℃，保温时间为4 min，第二阶段从300℃升温至550℃，采用15℃/min的升温速率，保温时间为3h，然后随炉冷却至室温，即得到本实施例尖晶石型复合铁酸盐纳米管，即铁酸镍（NiFe2O4）纳米管。
如图4所示，XRD图谱的衍射峰与NiFe2O4标准卡片的衍射峰（JCPDS 10-0325）相符合，证明确实得到了NiFe2O4纳米管。
实施例4
（1）分别称取0.8080g Fe(NO3)3·9H2O和0.36g 50wt%的Mn(NO3)2溶液加入盛有6mLDMF的烧杯中，搅拌直至全部溶解得到透明均匀的溶液，再加入1g PVP，混合搅拌均匀，得到透明粘稠的纺丝原液；
（2）将步骤（1）制备的纺丝原液倒入带有外径为0.8mm的不锈钢针头的注射器中进行静电纺丝，将室内温度和相对湿度分别控制在25℃和25%左右，针头与接收板的距离调整为14cm，纺丝液推进速度为0.9mL/h，静电纺丝过程的电压为15kV，然后采用接收板收集得到两种金属盐与聚乙烯吡咯烷酮的复合纳米纤维；
（3）将步骤（2）中制备的复合纳米纤维进行分段煅烧，第一阶段以1℃/min的升温速率，升温至300℃，保温时间为2 min，第二阶段从300℃升温至550℃，采用15℃/min的升温速率，保温时间为2h，然后随炉冷却至室温，即得到本实施例尖晶石型复合铁酸盐纳米管，即铁酸锰（MnFe2O4）纳米管。
实施例5
（1）分别称取0.404g Fe(NO3)3·9H2O和0.5949g Zn(NO3)2·6H2O加入盛有6mL DMF的烧杯中，搅拌直至全部溶解得到透明均匀的溶液，再加入1g PVP，混合搅拌均匀，得到透明粘稠的纺丝原液；
（2）将步骤（1）制备的纺丝原液倒入带有外径为0.8mm的不锈钢针头的注射器中进行静电纺丝，将室内温度和相对湿度分别控制在30℃和35%左右，针头与接收板的距离调整为15cm，纺丝液推进速度为0.6mL/h，静电纺丝过程的电压为17kV，然后采用接收板收集得到两种金属盐与聚乙烯吡咯烷酮的复合纳米纤维；
（3）将步骤（2）中制备的复合纳米纤维进行分段煅烧，第一阶段以5℃/min的升温速率，升温至250℃，保温时间为4min，第二阶段从250℃升温至450℃，采用10℃/min的升温速率，保温时间为3h，然后随炉冷却至室温，即得到本实施例尖晶石型复合铁酸盐纳米管，即铁酸锌（ZnFe2O4）纳米管。
实施例6
（1）分别称取0.4000g Fe2(SO4)3和0.2901g Co(NO3)2·6H2O加入盛有6mL DMF的烧杯中，搅拌直至全部溶解得到透明均匀的溶液，再加入1g PVP，混合搅拌均匀，得到透明粘稠的纺丝原液；
（2）将步骤（1）制备的纺丝原液倒入带有外径为0.8mm的不锈钢针头的注射器中进行静电纺丝，将室内温度和相对湿度分别控制在15℃和20%左右，针头与接收板的距离调整为15cm，纺丝液推进速度为0.9mL/h，静电纺丝过程的电压为20 kV，然后采用接收板收集得到两种金属盐与聚乙烯吡咯烷酮的复合纳米纤维；
（3）将步骤（2）中制备的复合纳米纤维进行分段煅烧，第一阶段以1℃/min的升温速率，升温至300℃，无需保温直接进行第二阶段升温。第二阶段从300℃升温至600℃，采用15℃/min的升温速率，保温时间为3h，然后随炉冷却至室温，即得到本实施例尖晶石型复合铁酸盐纳米管，即铁酸钴（CoFe2O4）纳米管。
实施例7
（1）分别称取0.6060g Fe(NO3)3·9H2O和0.1690g MnSO4·H2O加入盛有6mL DMF的烧杯中，搅拌直至全部溶解得到透明均匀的溶液，再加入1g PVP，混合搅拌均匀，得到透明粘稠的纺丝原液；
（2）将步骤（1）制备的纺丝原液倒入带有外径为0.8mm的不锈钢针头的注射器中进行静电纺丝，将室内温度和相对湿度分别控制在37℃和30%左右，针头与接收板的距离调整为18cm，纺丝液推进速度为0.7mL/h，静电纺丝过程的电压为18kV，然后采用接收板收集得到两种金属盐与聚乙烯吡咯烷酮的复合纳米纤维；
（3）将步骤（2）中制备的复合纳米纤维进行分段煅烧，第一阶段以3℃/min的升温速率，升温至300℃，保温时间为5min，第二阶段从300℃升温至700℃，采用15℃/min的升温速率，保温时间为3h，然后随炉冷却至室温，即得到本实施例尖晶石型复合铁酸盐纳米管，即铁酸锰（MnFe2O4）纳米管。
实施例8
（1）分别称取0.800g Fe2(SO4)3和0.2628g Ni(SO4)2·6H2O依次加入盛有6mL DMF的烧杯中，搅拌直至全部溶解得到透明均匀的溶液，再加入1g PVP，混合搅拌均匀，得到透明粘稠的纺丝原液；
（2）将步骤（1）制备的纺丝原液倒入带有外径为0.8mm的不锈钢针头的注射器中进行静电纺丝，将室内温度和相对湿度分别控制在27℃和20%左右，针头与接收板的距离调整为12cm，纺丝液推进速度为0.6mL/h，静电纺丝过程的电压为14kV，然后采用接收板收集得到两种金属盐与聚乙烯吡咯烷酮的复合纳米纤维；
（3）将步骤（2）中制备的复合纳米纤维进行分段煅烧，第一阶段以5℃/min的升温速率，升温至300℃，保温时间为4min，第二阶段从300℃升温至700℃，采用15℃/min的升温速率，保温时间为4h，然后随炉冷却至室温，即得到本实施例尖晶石型复合铁酸盐纳米管，即铁酸镍（NiFe2O4）纳米管。
实施例9
（1）称取0.8080g Fe(NO3)3·9H2O作为金属铁盐，称取0.1455g Co(NO3)2·6H2O和0.1454g Ni(NO3)2·6H2O作为金属盐M，使得金属铁盐与金属盐M的摩尔比为2:1，然后将它们加入盛有6mL DMF的烧杯中，搅拌直至全部溶解得到透明均匀的溶液，再加入1g PVP，混合搅拌均匀，得到透明粘稠的纺丝原液；
（2）将步骤（1）制备的纺丝原液倒入带有外径为0.8mm的不锈钢针头的注射器中进行静电纺丝，将室内温度和相对湿度分别控制在25℃和25%左右，针头与接收板的距离调整为10cm，纺丝液推进速度为0.9mL/h，静电纺丝过程的电压为15kV，采用接收板收集得到三种金属盐与聚乙烯吡咯烷酮的复合纳米纤维；
（3）将步骤（2）中制备的复合纳米纤维进行分段煅烧，第一阶段以1℃/min的升温速率，升温至300℃，保温时间为5min，第二阶段从300℃升温至550℃，采用15℃/min的升温速率，保温时间为2h，然后随炉冷却至室温，即得到本实施例尖晶石型复合铁酸盐纳米管，即三元铁酸盐CoxNi1-xFe2O4纳米管，其中0<x<1。
对比例1
（1）分别称取0.8080g Fe(NO3)3·9H2O 和0.2975g Zn(NO3)2·6H2O加入至盛有6mLDMF的烧杯中，搅拌直至全部溶解得到透明均匀的溶液，再加入1g PVP，混合搅拌均匀，得到透明粘稠的纺丝原液；
（2）将步骤（2）中所得的纺丝液倒入注射器进行静电纺丝，采用的纺丝参数与实施例1中的参数相同，然后用接收板收集得到两种金属盐与聚乙烯吡咯烷酮的复合纳米纤维；
（3）将步骤（3）中制备的复合纳米纤维进行煅烧，以5℃/min的升温速率，升温至500℃，保温时间为3h，然后随炉冷却至室温，所得样品为实心铁酸锌（ZnFe2O4）纤维，得不到实施例1中所述的纳米管。
Claims (9)
1.一种尖晶石型复合铁酸盐磁性纳米管，其特征在于：成分包括Fe与Zn、Co、Ni和Mn中的一种或两种形成的复合尖晶石型金属氧化物，所述的复合尖晶石型金属氧化物为磁性材料或非磁性材料；
所述尖晶石型复合铁酸盐磁性纳米管的制备方法，包括以下步骤：
（1）称取金属盐，加入N, N-二甲基甲酰胺中，充分搅拌溶解，至溶液均匀透明，加入聚乙烯吡咯烷酮，混合搅拌均匀，得到透明粘稠的纺丝原液；
（2）将步骤（1）制备的纺丝原液进行静电纺丝，得到金属盐与聚乙烯吡咯烷酮的复合纳米纤维；
（3）将步骤（2）制备的复合纳米纤维进行分段煅烧，即第一阶段按照1～5℃/min的速率升温至250～300℃，保温0～5min，第二阶段按照10～15℃/min的速率从250～300℃升温至450～700℃，并在该温度下煅烧2～4h，然后随炉冷却至室温，即得到尖晶石型复合铁酸盐纳米管。
2.根据权利要求1所述的尖晶石型复合铁酸盐磁性纳米管，其特征在于：所述的复合尖晶石型金属氧化物为ZnFe2O4、CoFe2O4、NiFe2O4、MnFe2O4和CoxNi1-xFe2O4，其中0<x<1。
3.根据权利要求1所述的尖晶石型复合铁酸盐磁性纳米管，其特征在于：步骤（1）中，所述的金属盐为Fe盐与Zn、Co、Ni和Mn中的一种或两种过渡金属盐。
4.根据权利要求3所述的尖晶石型复合铁酸盐磁性纳米管，其特征在于：所述的金属盐为硝酸盐或硫酸盐。
5.根据权利要求4所述的尖晶石型复合铁酸盐磁性纳米管，其特征在于：所述的金属盐为Fe(NO3)3•9H2O、Zn(NO3)2•6H2O、Co(NO3)2•6H2O、Ni(NO3)2•6H2O、Mn(NO3)2、MnSO4•H2O或Ni(SO4)2•6H2O。
6.根据权利要求1所述的尖晶石型复合铁酸盐磁性纳米管，其特征在于：步骤（1）中所述的聚乙烯吡咯烷酮的平均分子量为1300000。
7.根据权利要求1所述的尖晶石型复合铁酸盐磁性纳米管，其特征在于：步骤（1）中所述的金属盐中，Fe盐摩尔百分含量为33～66%。
8.根据权利要求1所述的尖晶石型复合铁酸盐磁性纳米管，其特征在于：步骤（1）中所述的金属盐的总质量与聚乙烯吡咯烷酮的质量比为0.5～1.2：1，所述的金属盐的总质量与溶剂质量比为0.12~0.21：1，所述的纺丝原液中聚乙烯吡咯烷酮的质量浓度为14～24 wt%。
9.根据权利要求1所述的尖晶石型复合铁酸盐磁性纳米管，其特征在于：步骤（2）中所述静电纺丝的条件是针头和接收器之间的距离为 10～20cm，电压在14～20kV，纺丝液推进速度为0.4～1.2 mL/h，室内温度为15～40℃，相对湿度为10～40%。
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