CN105883932B - 一种氧化铁纳米球的制备方法及其产物 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种氧化铁纳米球的制备方法，包括如下步骤：1)将九水合硝酸铁、四甲基氢氧化铵与去离子水混合得到前驱体溶液；所述的前驱体溶液中九水合硝酸铁的浓度为0.25～0.3mol/L，四甲基氢氧化铵的浓度为0.25～1mol/L；2)将步骤1)得到的前驱体溶液在180～220℃下水热反应8～10h，过滤，清洗，烘干，得到氧化铁纳米球。该制备方法使用水热法相对简单、低消耗，且所得的氧化铁纳米球的纳米颗粒尺寸和形貌均一。
Description
技术领域
本发明涉及氧化铁的制备领域，具体涉及一种氧化铁纳米球的制备方法及其产物。
背景技术
目前我们都共同面临着能源危机这一全球性的问题，开发和利用太阳能是公认的解决能源短缺问题的有效手段。而太阳能利用最大的障碍就是我们所搜集的太阳能难以有效的保存下来。现在通常的做法是通过太阳能光伏电池将太阳能转化为电能储存，但是这样需要大规模建立蓄电站，增加了我们利用太阳能的成本，因此我们希望能通过光解水的过程将太阳能转化为化学能。
纳米材料和纳米结构式当今新材料研究领域中最富有活力、对未来经济和社会发展有着十分重要影响的研究对象，也是纳米技术中最为活跃、最接近应用的重要组成部分。α-Fe2O3材料在光解水过程中有广泛应用，由于其较窄的能带结构，因此它能吸收更多的光能，提高太阳能利用的效率。目前α-Fe2O3的制备方法主要有水解Fe(III)盐溶液、水解Fe(III)凝胶溶液等等。中国发明专利(公开号CN 101182041 A)公开一种球形纳米氧化铁的制备方法，在常温常压下，将环糊精溶液和溶液充分混合，搅拌1～5h后过滤、冷冻干燥；然后将所得的产物干燥、高温煅烧，即得球形的纳米氧化铁粒子，但是该方法需要高温煅烧，能耗过大，方法复杂。
虽然上面提到的这些方法都有各自的优点，但是这些反应过程或是反应所需要的时间都比较长，或是准备工作很复杂，或是需要使用特殊的设备。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种氧化铁纳米球的制备方法及其产物，该制备方法使用水热法相对简单、低消耗，且所得的氧化铁纳米球的纳米颗粒尺寸和形貌均一。
本发明所提供的技术方案为：一种氧化铁纳米球的制备方法，包括如下步骤：
1)将九水合硝酸铁、四甲基氢氧化铵与去离子水混合得到前驱体溶液；所述的前驱体溶液中九水合硝酸铁的浓度为0.25～0.3mol/L，四甲基氢氧化铵的浓度为0.25～1mol/L；
2)将步骤1)得到的前驱体溶液在180～220℃下水热反应8～10h，过滤，清洗，烘干，得到氧化铁纳米球。
上述技术方案中，四甲基氢氧化铵不仅仅在反应中提供氢氧根离子，四甲基氢氧化铵中的季铵阳离子能够对氧化铁纳米球的生长进行形貌和尺寸的调控，最终得到的氧化铁纳米球的直径为65～75nm。
此外，四甲基氢氧化铵不会在反应体系中引入金属离子，因为反应体系中的金属离子会不可避免的残留一部分在产物中，即使经过多次清洗。四甲基氢氧化铵能创造出一个无杂质金属离子的反应环境，而季铵阳离子可以通过简单的热处理去除，不会在产物中留下杂质阳离子。因此，选择四甲基氢氧化铵可以制备出完全不含杂质金属阳离子的产物。
所述的水热反应以聚四氟乙烯内胆，不锈钢套件密闭的反应釜中进行。作为优选，所述的水热反应在反应釜中进行，反应釜的填充度为70～80％。为保证反应釜的填充度为70～80％，可向步骤1)的前驱体溶液中加入去离子水，调节至所需体积。
所述的步骤2)中，将反应釜置于空气中自然冷却到室温，取出产物，过滤，依次用去离子水和乙醇清洗，60℃烘干。
所述的步骤1)中采用的九水合硝酸铁和四甲基氢氧化铵的纯度均不低于分析纯。
作为优选，所述的步骤2)中水热反应时间在9～10h，水热温度在180～200℃。
作为优选，所述的步骤1)中九水合硝酸铁的浓度为0.25～0.26mol/L，四甲基氢氧化铵的浓度为0.25～0.26mol/L；所述的步骤2)中水热反应时间在9.5～10h，水热温度在180～190℃。
本发明还提供一种上述的制备方法制得的氧化铁纳米球。
所述的氧化铁纳米球的直径为65～75nm。
同现有技术相比，本发明的有益效果体现在：
(1)本发明通过对原料的用量及水热反应条件的精确调控，制备工艺过程简单，易于控制，制备得到直径为65～75nm的氧化铁纳米球，结晶度高、结构稳定且比表面积较大，对有毒有机污染物的降解效果明显，在环境治理方面有着广阔的应用前景。
(2)本发明原料中使用四甲基氢氧化铵，不仅能够调控氧化铁纳米球的尺寸和形貌，而且制备过程中不会引入杂质金属离子。
附图说明
图1为实施例1制备的氧化铁纳米球的X射线衍射(XRD)图谱；
图2为实施例1制备的氧化铁纳米球在59.49KX倍数下的扫描电子显微镜(SEM)照片；
图3为实施例1制备的氧化铁纳米球在151.66KX倍数下的扫描电子显微镜(SEM)照片；
图4为对比例1制备的产物的X射线衍射(XRD)图谱；
图5为对比例1制备的产物在50K倍数下的扫描电子显微镜(SEM)照片。
具体实施方式
以下结合实施例进一步说明本发明。
实施例1
1)称取10mmol的九水硝酸铁，将其溶解于35ml的去离子水中，搅拌至橙色澄清溶液；
2)称取10mmol四甲基氢氧化铵，将其加入步骤1)制得的溶液中，充分搅拌得到红褐色悬浊液；
3)将步骤2)所制备的悬浊液加入到反应釜内胆中。用去离子水调节其体积占反应釜内胆容积的4/5，得到反应前驱体悬浮液。此时，Fe/TMAH摩尔比为1：1，Fe3+的摩尔浓度为0.25mol/L。
4)将装有反应物料体的反应釜内胆密闭于反应釜中，在180℃下保温10小时进行水热处理。然后将反应釜置于空气中自然冷却到室温，取出反应物，过滤，依次用去离子水和乙醇清洗，60℃烘干，得到氧化铁纳米球。
将得到氧化铁纳米球进行XRD表征，如图1所示，可知产物为纯的氧化铁纳米球，未出现杂质。
将得到氧化铁纳米球进行SEM分析，结果如图2和图3，可知氧化铁纳米球的长度直径为65～75nm，形貌与尺寸均一。
实施例2
1)称取10mmol的九水硝酸铁，将其溶解于35ml的去离子水中，搅拌至橙色澄清溶液；
2)称取10mmol四甲基氢氧化铵，将其加入步骤1)制得的溶液中，充分搅拌得到红褐色悬浊液；
3)将步骤2)所制备的悬浊液加入到反应釜内胆中。用去离子水调节其体积占反应釜内胆容积的4/5，得到反应前驱体悬浮液。此时，Fe/TMAH摩尔比为1：1，Fe3+的摩尔浓度为0.25mol/L。
4)将装有反应物料体的反应釜内胆密闭于反应釜中，在200℃下保温10小时进行水热处理。然后将反应釜置于空气中自然冷却到室温，取出反应物，过滤，依次用去离子水和乙醇清洗，60℃烘干，得到氧化铁纳米球。
实施例3
1)称取10mmol的九水硝酸铁，将其溶解于35ml的去离子水中，搅拌至橙色澄清溶液；
2)称取40mmol四甲基氢氧化铵，将其加入步骤1)制得的溶液中，充分搅拌得到红褐色悬浊液。
3)将步骤2)所制备的悬浊液加入到反应釜内胆中。用去离子水调节其体积占反应釜内胆容积的4/5，得到反应前驱体悬浮液。此时，Fe/TMAH摩尔比为1：4，Fe3+的摩尔浓度为0.25mol/L。
4)将装有反应物料体的反应釜内胆密闭于反应釜中，在200℃下保温8小时进行水热处理。然后将反应釜置于空气中自然冷却到室温，取出反应物，过滤，依次用去离子水和乙醇清洗，60℃烘干，得到氧化铁纳米球。
对比例1
1)称取10mmol的九水硝酸铁，将其溶解于35ml的去离子水中，搅拌至橙色澄清溶液；
2)称取10mmol四甲基氢氧化铵，将其加入步骤1)制得的溶液中，充分搅拌得到红褐色悬浊液；
3)将步骤2)所制备的悬浊液加入到反应釜内胆中。用去离子水调节其体积占反应釜内胆容积的4/5，得到反应前驱体悬浮液。此时，Fe/TMAH摩尔比为1：1，Fe3+的摩尔浓度为0.25mol/L。
4)将装有反应物料体的反应釜内胆密闭于反应釜中，在140℃下保温6小时进行水热处理。然后将反应釜置于空气中自然冷却到室温，取出反应物，过滤，依次用去离子水和乙醇清洗，60℃烘干得到产物。
产物的XRD和SEM图分别为图4和图5，由于水热温度不够，时间不足，不能得到纯氧化铁纳米球。
Claims (3)
1.一种氧化铁纳米球的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)将九水合硝酸铁、四甲基氢氧化铵与去离子水混合得到前驱体溶液；所述的前驱体溶液中九水合硝酸铁的浓度为0.25～0.26mol/L，四甲基氢氧化铵的浓度为0.25～0.26mol/L；
2)将步骤1)得到的前驱体溶液在180～200℃下水热反应9～10h，过滤，清洗，烘干，得到氧化铁纳米球。
2.根据权利要求1所述的氧化铁纳米球的制备方法，其特征在于，所述的水热反应在反应釜中进行，反应釜的填充度为70～80％。
3.根据权利要求1所述的氧化铁纳米球的制备方法，其特征在于，所述的步骤2)中水热反应时间在9.5～10h，水热温度在180～190℃。
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