CN104925870A - 一种溶剂热法制备纳米四氧化三铁的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种溶剂热法制备纳米四氧化三铁的方法，以木质素磺酸盐为表面活性剂，采用溶剂热法制备纳米四氧化三铁，颗粒粒径可控，且使用的木质素磺酸盐为造纸过程中产生的废弃物，节约成本同时也环保。

Description

一种溶剂热法制备纳米四氧化三铁的方法
技术领域
本发明属于纳米材料领域，尤其是一种溶剂热法制备纳米四氧化三铁的方法。
背景技术
近年来，纳米四氧化三铁已成为一种面向21世纪的新型高功能精细无机产品。四氧化三铁为反尖晶石结构的铁氧体，是应用最广泛的软磁材料之一。常被用作磁流体材料、记录材料、催化剂、颜料和微波吸收材料。同时由于其优异的物理化学性质以及良好的生物相容性，使其在生物科学和医学领域也有广阔的应用，比如：靶向药物、医疗成像、生物固定和分离、生物传感器和生物热磁疗。
目前，传统制备纳米Fe3O4的方法主要有沉淀法、水热(溶剂热)法、微乳化法、溶胶-凝胶法。新兴的制备方法如微波法、热解羰基前躯体法、超声法、空气氧化法、热解-还原法、多元醇还原法等正逐渐成为学者们研究的热点。
溶剂热法是水热法的发展，它与水热法的不同之处在于所使用的溶剂为有机溶剂而不是水。在溶剂热反应中，通过把一种或几种前驱体溶解在非水溶剂，在液相或超临界条件下，反应物分散在溶液中并且变的比较活泼，反应发生，产物缓慢生成。该过程相对简单而且易于控制，并且在密闭体系中可以有效的防止有毒物质的挥发和制备对空气敏感的前驱体。与水热法相比溶剂热法主要有以下特点：(1)在有机溶剂中进行的反应能够有效地抑制产物的氧化过程或水中氧的污染；(2)非水溶剂的采用使得溶剂热法可选择的原料的范围大大扩大，比如氟化物，氮化物，硫属化合物等均可作为溶剂热反应的原材料；同时，非水溶剂在亚临界或超临界状态下独特的物理化学性质极大地扩大了所能制备的目标产物的范围；(3)由于有机溶剂的低沸点，在同样的条件下，它们可以达到比水热合成更高的气压，从而有利于产物的结晶；(4)由于较低的反应温度，反应物中的结构单元可以保留到产物中，且不受破坏，同时，有机溶剂的官能团和反应物或产物作用，生成某些新型的在催化和储能方面有潜在应用的材料；(5)非水溶剂的种类繁多，其本身的一些特性，如极性与非极性、配位络合作用、热稳定性等，为我们从反应热力学和动力学的角度去认识化学反应的实质与晶体生长的特性，提供了研究线索。
目前采用溶剂热法制备纳米四氧化三铁过程中通常添加表面活性剂来控制纳米颗粒粒径，但表面活性剂价格较贵，增加了制备成本。
发明内容
针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种以木质素磺酸盐为表面活性剂，采用溶剂热法制备纳米四氧化三铁，颗粒粒径可控，且使用的木质素磺酸盐为造纸过程中产生的废弃物，节约成本同时也环保。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种溶剂热法制备纳米四氧化三铁的方法，包括如下步骤：
S1、将三价铁盐与无机碱或强碱弱酸盐溶于乙二醇中，加入木质素磺酸盐搅拌得混合溶液，所述混合溶液pH＝7～8；
S2、将S1所述混合溶液在高压釜中于160～220℃反应，冷却、离心、洗涤、干燥得纳米四氧化三铁。
进一步，所述木质素磺酸盐为木质素磺酸钠。
进一步，所述木质素磺酸钠为造纸过程中产生的废弃物。
在上述方案中，所述三价铁盐为硝酸铁或氯化铁，所述无机碱为氢氧化钠，所述强碱弱酸盐为醋酸钠。
在上述方案中，S1中所述混合溶液中木质素磺酸盐的用量为每70mL溶液加入0.2～1.4g木质素磺酸盐。
在上述方案中，S2所述的混合溶液在高压釜中的反应时间为8～16h。
本发明还包括通过溶剂热法制备纳米四氧化三铁的方法得到的纳米四氧化三铁，所述纳米四氧化三铁的粒径为70～500nm，所述四氧化三铁粒径与所述木质素磺酸盐的加入量成反比。
木质素磺酸盐为表面活性剂，在生成纳米四氧化三铁过程中添加不同量的表面活性剂可起到空间位阻作用，减少粒子间直接接触，降低表面张力，减少表面能，从而降低分散系中固体或液体粒子因氢键或范德华力的作用而导致聚集的程度，保持分散体系相对稳定，有效地对纳米粒子的大小和形貌进行调控。在反应过程中，一定范围内加入的木质素磺酸盐量越大，得到的纳米四氧化三铁粒径越小，颗粒粒径可控制在70～500nm之间。
本发明的有益效果：
(1)木质素磺酸盐为造纸过程中的副产物，本发明以木质素磺酸盐作为表面活性剂，既可实现纳米四氧化三铁粒径可控，同时也实现废物再利用。
(2)本发明所述的制备纳米四氧化三铁的方法操作条件易于控制，设备简单，制备成本低，所制产物颗粒分布均匀，颗粒性能高，粒径分散性良好，分体团聚程度较小，形貌较好，易于实现工业化。
附图说明
图1为本发明所述纳米四氧化三铁的X射线衍射图谱，a、b、c分别为实施例2、3、4的X射线衍射图谱。
图2为本发明所述纳米四氧化三铁的扫描电镜图谱，a、b、c分别为实施例2、3、4的扫描电镜图谱。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
实施例1
室温下取0.008mol的Fe(NO3)3·9H2O和0.04mol的NaAc·3H2O，分别溶解在35mL的乙二醇中，混合后再加入0.2g木质素磺酸钠，搅拌溶解，再磁力搅拌20分钟使之均匀分散；将上述溶液移入高压釜中，在160℃温度下反应16h，冷却至室温；将所得沉淀混合物离心分离，沉淀用去离子水清洗3遍，再用无水乙醇清洗3遍，离心分离；将分离后的固体放入恒温干燥箱中干燥12h，所述恒温干燥箱的温度为60℃；得到纳米四氧化三铁的粒径约为470nm。
实施例2
室温下取0.008mol的Fe(NO3)3·9H2O和0.04mol的NaAc·3H2O，分别溶解在35mL的乙二醇中，混合后再加入0.4g木质素磺酸钠，搅拌溶解，再磁力搅拌20分钟使之均匀分散；将上述溶液移入高压釜中，在180℃温度下反应12h，冷却至室温；将所得沉淀混合物离心分离，沉淀用去离子水清洗3遍，再用无水乙醇清洗3遍，离心分离；将分离后的固体放入恒温干燥箱中干燥12h，所述恒温干燥箱的温度为60℃。样品的XRD图如图1中a，表明成功制备了纳米四氧化三铁颗粒；扫描电镜图如图2a，得到纳米四氧化三铁的粒径约为430nm。
实施例3
室温下取0.008mol的Fe(NO3)3·9H2O和0.04mol的NaAc·3H2O，分别溶解在35mL的乙二醇中，混合后再加入0.6g木质素磺酸钠，搅拌溶解，再磁力搅拌20分钟使之均匀分散；将上述溶液移入高压釜中，在180℃温度下反应16h，冷却至室温；将所得沉淀混合物离心分离，沉淀用去离子水清洗3遍，再用无水乙醇清洗3遍，离心分离；将分离后的固体放入恒温干燥箱中干燥12h，所述恒温干燥箱的温度为60℃。样品的XRD图如图1中b，表明成功制备了纳米四氧化三铁颗粒；扫描电镜图如图2b，得到纳米四氧化三铁的粒径约为380nm。
实施例4
室温下取0.008mol的Fe(NO3)3·9H2O和0.04mol的NaAc·3H2O，分别溶解在35mL的 乙二醇中，混合后再加入0.8g木质素磺酸钠，搅拌溶解，再磁力搅拌20分钟使之均匀分散；将上述溶液移入高压釜中，在200℃温度下反应10h，冷却至室温；将所得沉淀混合物离心分离，沉淀用去离子水清洗3遍，再用无水乙醇清洗3遍，离心分离；将分离后的固体放入恒温干燥箱中干燥12h，所述恒温干燥箱的温度为60℃。样品的XRD图如图1中c，表明成功制备了纳米四氧化三铁颗粒；扫描电镜图如图2c，得到纳米四氧化三铁的粒径约为120nm。
实施例5
室温下取0.008mol的Fe(NO3)3·9H2O和0.04mol的NaAc·3H2O，分别溶解在35mL的乙二醇中，混合后再加入1.0g木质素磺酸钠，搅拌溶解，再磁力搅拌20分钟使之均匀分散；将上述溶液移入高压釜中，在220℃温度下反应12h，冷却至室温；将所得沉淀混合物离心分离，沉淀用去离子水清洗3遍，再用无水乙醇清洗3遍，离心分离；将分离后的固体放入恒温干燥箱中干燥12h，所述恒温干燥箱的温度为60℃，得到纳米四氧化三铁的粒径约为100nm。
实施例6
室温下取0.008mol的Fe(NO3)3·9H2O和0.04mol的NaAc·3H2O，分别溶解在35mL的乙二醇中，混合后再加入1.4g木质素磺酸钠，搅拌溶解，再磁力搅拌20分钟使之均匀分散；将上述溶液移入高压釜中，在220℃温度下反应8h，冷却至室温；将所得沉淀混合物离心分离，沉淀用去离子水清洗3遍，再用无水乙醇清洗3遍，离心分离；将分离后的固体放入恒温干燥箱中干燥12h，所述恒温干燥箱的温度为60℃，得到纳米四氧化三铁的粒径约为80nm。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种溶剂热法制备纳米四氧化三铁的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、将三价铁盐与无机碱或强碱弱酸盐溶于乙二醇中，加入木质素磺酸盐搅拌得混合溶液，所述混合溶液pH＝7～8；
S2、将S1所述混合溶液在高压釜中于160～220℃反应，冷却、离心、洗涤、干燥得纳米四氧化三铁。
2.如权利要求1所述的溶剂热法制备纳米四氧化三铁的方法，其特征在于，所述木质素磺酸盐为木质素磺酸钠。
3.如权利要求2所述的溶剂热法制备纳米四氧化三铁的方法，其特征在于，所述木质素磺酸钠为造纸过程中产生的废弃物。
4.如权利要求1所述的溶剂热法制备纳米四氧化三铁的方法，其特征在于，所述三价铁盐为硝酸铁或氯化铁，所述无机碱为氢氧化钠，所述强碱弱酸盐为醋酸钠。
5.如权利要求1所述的溶剂热法制备纳米四氧化三铁的方法，其特征在于，S1中所述混合溶液中木质素磺酸盐的用量为每70mL溶液加入0.2～1.4g木质素磺酸盐。
6.如权利要求1所述的溶剂热法制备纳米四氧化三铁的方法，其特征在于，S2所述的混合溶液在高压釜中的反应时间为8～16h。
7.如权利要求1～6中任意一项所述的溶剂热法制备纳米四氧化三铁的方法得到的纳米四氧化三铁，其特征在于，所述纳米四氧化三铁的粒径为70～500nm，所述四氧化三铁粒径与所述木质素磺酸盐的加入量成反比。
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