CN105413688A - 一种微波法制备CuFeO2复合金属氧化物的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种微波法制备CuFeO2复合金属氧化物的方法。该方法包括如下步骤:(1)配制反应溶液:将相等摩尔质量的硝酸铜晶体和硝酸铁晶体充分溶于去离子水中;在搅拌之下,向上述溶液中缓慢加入适量的氢氧化钠溶液,所得黑褐色溶胶超声分散10-20min;(2)微波条件下制备:将上述反应体系置于微波炉中,在微波功率为250-600W条件下持续反应15-20min;(3)反应结束后,自然冷却至室温,一定转速条件下离心分离数分钟,并用去离子水多次清洗分离,干燥,得到最终产物。该法用于制备复合金属氧化物CuFeO2具有操作简便、反应时间短的优点,可快速得到性能稳定的产物,节约能源。
Description
技术领域
本发明涉及CuFeO2复合金属氧化物的制备方法,特别是一种微波法制备CuFeO2复合金属氧化物的方法。
背景技术
近年来,随着材料制备技术领域的快速发展,各类新型材料被通过不同的物理、化学等方法相继被开发且应用。复合金属氧化物CuFeO2,不仅作为半导体材料被运用于各类光电技术领域,其在污染物降解中高级氧化技术领域的运用也正在被不断发现。
在传统的均相Fenton反应过程中,铁的引入产生难以处理的铁污泥,进一步增加了处理成本。从而催生了近几年被相继报道的非均相Fenton反应催化剂的运用。非均相Fenton反应催化剂与传统的均相催化剂Fe2+相比,具有催化剂易分离回收、能够循环利用、Fe2+持续释放维持反应速率稳定等优点,同时节约时间成本,也防止产生大量的铁污泥。在诸多的非均相Fenton反应催化剂中,CuFeO2被公开作为新型的类芬顿反应催化剂,具有快速沉降、易于回收、可循环利用的优点(专利公布号为CN103285862A)。作为一种多功能材料,目前CuFeO2的制备方法有高温固相法、溶胶凝胶法配合后续高温烧结以及水热法。高温固相法对能源的消耗大,且反映时间长;溶胶凝胶法配合后续高温烧结的方法前期反应速度快,但反应不易控制,操作繁杂;在公布号为CN103285862A的发明专利中,利用水热法合成微米级CuFeO2,其合成过程需在聚四氟乙烯高温反应釜中,在温度为120~200℃下持续反应12~96h完成;公布号为CN104860356A的发明专利所提供的制备方法与上述没有实质性区别;另外公布号为CN104058461A的发明专利提供了一种低温下的水热法合成纳米级CuFeO2,提供了水热法制备CuFeO2的方法,其制备反应条件要求高,设备投入成本也较高。
发明内容:
鉴于以上三种制备方法存在的不足,本发明进一步对复合金属氧化物CuFeO2的制备进行完善。提供了一种微波法制备CuFeO2复合金属氧化物的方法,该法具有操作简单,能耗较低,且快速制备目标产物的优点。
方法步骤如下:
一种微波法制备CuFeO2复合金属氧化物的方法,其特征在于该方法包括以下步骤:
(1)配制反应溶液:将等摩尔质量的硝酸铜和硝酸铁充分溶于去离子水中,在搅拌下,向混合溶液中加入氢氧化钠溶液得到黑褐色溶胶,所述氢氧化钠溶液中的溶质与硝酸铜的摩尔比为5~50:1;将黑褐色溶胶先后进行超声和磁力搅拌10-20min使之充分混合;最后加入柠檬酸溶液,磁力搅拌10分钟得到反应溶液;所述柠檬酸与硝酸铜的摩尔比为0.5~2.5:1;
(2)微波条件下制备:将步骤(1)的反应溶液置于微波炉中,在微波功率为250-600W条件下持续反应15-25min;
(3)产物收集:反应结束后,取出反应容器,冷却至室温,在5000r/min的转速条件下离心分离10min,并用去离子水清洗分离3次以上,干燥,得到最终产物CuFeO2复合金属氧化物。
在上述技术方案中,硝酸铜与硝酸铁的原子摩尔比为1:1,除了硝酸铜和硝酸铁,也可分别用氯化铜、硫酸铜等含有Cu2+的化合物与氯化铁、硫酸铁等含有Fe2+的化合物代替。
所用柠檬酸与硝酸铜的摩尔比为0.5~2.5:1,优选为1:1;还原剂可以除了柠檬酸之外,也可以是乙酸、葡萄糖、正丙醛等还原剂。
所用氧化钠溶液中的溶质与硝酸铜的摩尔比为5~50:1,优选为20~30:1。
步骤2中反应时间优选为20min。步骤3离心时间优选为10min。
附图说明
图1为实施例1中合成产品的XRD图。纵坐标为衍射峰强度,横坐标为角度。
图2为实施例1中合成产品的SEM图。
图3为实施例3和实施例4中的反应体系在微波辐照反应完全,静置20min后的现象比较。
图4为实施例3-实施例5中的反应体系在同等微波辐照下的溶液脱色率变化情况对比。
具体实施方式
实施例1
分别称取0.05mol硝酸铜和硝酸铁充分溶于10ml去离子水,将上述溶液缓慢滴入50ml摩尔浓度为2.0mol/L的氢氧化钠溶液中,滴加过程持续不断搅拌得到黑褐色溶胶;上述体系超声分散15min,磁力搅拌10min使之充分混合;然后加入20ml浓度为0.25mol/L柠檬酸溶液,再次磁力搅拌10min得到反应溶液;将其置于微波炉中,功率调为280W,反应15min,取出,离心,洗涤,干燥,得到CuFeO2。
图1为实施例1中合成产品的XRD图。由图可知本发明所得产品图谱与CuFeO2的标准XRD图谱基本一致,具有与CuFeO2基本一致的结构。
图2为实施例1中合成产品的SEM图。从图中可以知道,本发明方法制备出的CuFeO2产品具有不规则的六面体结构,其粒径范围在2~4μm。
实施例2
分别称取0.15mol硝酸铜和硝酸铁充分溶于20ml去离子水,将上述溶液缓慢滴入100ml摩尔浓度为2.0mol/L的氢氧化钠溶液中,滴加过程持续不断搅拌得到黑褐色溶胶;上述体系超声分散20min,磁力搅拌20min使之充分混合;然后加入60ml浓度为0.25mol/L柠檬酸溶液,再次磁力搅拌20min得到反应溶液;将其置于微波炉中,功率调为420W,反应20min,取出,离心,洗涤,干燥,得到CuFeO2。
实施例3
在100ml浓度为20mg/L、pH=3(稀硝酸调节)的橙黄G溶液中加入0.1g本发明所得产品,并磁力搅拌2min使其均匀分散;随后加入0.1ml质量分数为30%的H2O2溶液,迅速转移至微波反应炉中,设定微波功率为140W,记为0时刻;在第0、4、7、10、20、30、40、50min时刻量取样品溶液,经规格为0.22μm的滤膜过滤后,用紫外-分光光度仪于波长为475nm下测定吸光度。结果发现,本发明所得产品在10min内便实现对有机染料橙黄G的完全氧化脱色,如反应10min后,体系溶液的脱色率高达99%;反应完全后静置20min,上层溶液完全澄清,本发明所得产品完全沉降。
实施例4
在100ml浓度为20mg/L、pH=3(稀硝酸调节)的橙黄G溶液中加入0.1g还原铁粉,磁力搅拌使其均匀分散;随后加入0.1ml质量分数为30%的H2O2溶液,迅速转移至微波反应炉中,设定微波功率为140W,记为0时刻;在第0、4、7、10、20、30、40、50min时刻量取样品溶液,经规格为0.22μm的滤膜过滤后,用紫外-分光光度仪于波长为475nm下测定吸光度。结果发现,还原铁粉在20min内可实现对有机染料橙黄G的完全氧化脱色,如反应10min后,体系溶液的脱色率达94.5%;反应完全后静置20min,反应溶液仍显淡黄色,底部沉降较多污泥。
图3为实施例3和实施例4中的反应体系在微波辐照反应完全,静置20min后的现象比较。由现象可知,在同等条件下,由Fe构成的Fenton体系实现橙黄G的降解之后产生明显的污泥,而由本发明所得产品催化降解后的溶液澄清,催化剂明显沉降。相比前者反应产生的难以处理的铁污泥,后者降解后的反应具有更便于处理、催化剂便于回收利用的优点。
实施例5
在100ml浓度为20mg/L、pH=3(稀硝酸调节)的橙黄G溶液中加入0.1ml质量分数为30%的H2O2溶液,迅速转移至微波反应炉中,设定微波功率为140W,记为0时刻;在第0、4、7、10、20、30、40、50min时刻量取样品溶液,经规格为0.22μm的滤膜过滤后,用紫外-分光光度仪于波长为475nm下测定吸光度。结果发现,反应体系溶液的吸光度无明显变化。
图4为实施例3-实施例5中的反应体系在同等微波辐照下的溶液脱色率变化情况对比。通过对比可知,由本发明所得产品构成的Fenton体系对污染物橙黄G具有明显的氧化降解效果;仅在10min后,体系溶液的脱色率便高达99%。
Claims (6)
1.一种微波法制备CuFeO2复合金属氧化物的方法,其特征在于该方法包括以下步骤:
(1)配制反应溶液:将等摩尔质量的硝酸铜和硝酸铁充分溶于去离子水中,在搅拌下,向混合溶液中加入氢氧化钠溶液得到黑褐色溶胶,所述氢氧化钠溶液中的溶质与硝酸铜的摩尔比为5~50:1;将黑褐色溶胶先后进行超声和磁力搅拌10-20min使之充分混合;最后加入柠檬酸溶液,磁力搅拌10分钟得到反应溶液;所述柠檬酸与硝酸铜的摩尔比为0.5~2.5:1;
(2)微波条件下制备:将步骤(1)的反应溶液置于微波炉中,在微波功率为250-600W条件下持续反应15-25min;
(3)产物收集:反应结束后,取出反应容器,冷却至室温,在5000r/min的转速条件下离心分离10min,并用去离子水清洗分离3次以上,干燥,得到最终产物CuFeO2复合金属氧化物。
2.根据权利要求1所述的微波法制备CuFeO2复合金属氧化物的方法,其特征在于硝酸铜可以用氯化铜或硫酸铜代替,硝酸铁可以用氯化铁或硫酸铁代替。
3.根据权利要求1所述的微波法制备CuFeO2复合金属氧化物的方法,其特征在于柠檬酸与硝酸铜的摩尔比为1:1;柠檬酸可以由乙酸、葡萄糖、正丙醛代替。
4.根据权利要求1所述的微波法制备CuFeO2复合金属氧化物的方法,其特征在于所述氢氧化钠溶液中的溶质与硝酸铜的摩尔比为20~30:1。
5.根据权利要求1所述的微波法制备CuFeO2复合金属氧化物的方法,其特征在于步骤2中反应时间为20min。
6.根据权利要求1所述的微波法制备CuFeO2复合金属氧化物的方法,其特征在于步骤3离心时间为10min。
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