CN105945303A - 一种纳米α-Fe金属粉的制备方法 - Google Patents

一种纳米α-Fe金属粉的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种纳米α‑Fe金属粉的制备方法，该方法包括以下步骤：⑴将三氯化锑加入到油胺溶液中，搅拌混合均匀，在室温下搅拌并在惰性气体氮气的保护下加热、保温，保温结束后，得到白色浑浊液；⑵将油胺加入到另一个三颈烧瓶中，在室温下搅拌并在惰性气体氮气的保护下加热、保温，保温结束后，在该温度下快速注入五羰基铁保温，保温结束后，再快速注入所述白色浑浊液，继续保温后自然冷却至室温，得到黑色溶液；⑶向所述黑色溶液中加入正己烷洗涤离心，经真空干燥至恒重，即得到纳米α‑Fe金属粉。本发明方法简单、成本较低、环境污染小。

Description

一种纳米α-Fe金属粉的制备方法
技术领域
本发明涉及磁性纳米材料的制备技术领域，尤其涉及一种纳米α-Fe金属粉的制备方法。
背景技术
磁性纳米材料，如纳米α-Fe金属粉，在电子信息、光学、磁学、催化和生物医学等领域都有着广泛的应用前景。
热分解羰基铁是制备铁纳米粒子常用的方法，羰基铁是一种亚稳态的有机金属配合物，容易发生热分解，这使得它成为一种有用的金属前驱体。采用羰基铁热分解制备铁单质的方法已有报道，但是在一般的惰气气氛，常压下只能制备得到非晶态的Fe纳米粒子。若要得到结晶性好、纯度高的单质铁，必须在特制反应器中加压、加氢条件下热分解羰基铁。由于制备成本高，该方法并没有在工业生产中得到推广应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种方法简单、成本较低、环境污染小的纳米α-Fe金属粉的制备方法。
为解决上述问题，本发明所述的一种纳米α-Fe金属粉的制备方法，包括以下步骤：
⑴将0.04~0.08mmol三氯化锑加入到0.5~5.0mL油胺溶液中，搅拌混合均匀，在室温下搅拌并通入惰性气体氮气10~20min，随后在惰性气体氮气的保护下以5~20℃/min的速率加热到100~160℃，并在100~160℃下保温40~100min，保温结束后，得到白色浑浊液；
⑵将3~7mL油胺加入到另一个三颈烧瓶中，在室温下搅拌并通入惰性气体氮气10~20min，随后在惰性气体氮气的保护下以5~20℃/min的速率加热到200~310℃，并在200~310℃下保温10~60min，保温结束后，在该温度下快速注入2.00~4.00mmol五羰基铁，然后在200~310℃下保温10~60min，保温结束后，再快速注入所述白色浑浊液，继续在200~310℃下保温10~60min后自然冷却至室温，得到黑色溶液；
⑶向所述黑色溶液中加入正己烷洗涤离心3~9次，经真空干燥至恒重，即得到纳米α-Fe金属粉。
所述步骤⑴和所述步骤⑵中惰性气体氮气的流速均为30~60mL/min。
所述步骤⑶中正己烷与所述黑色溶液的体积比为0.5~3.0 mL：1 mL。
所述步骤⑶中离心的条件是指离心速率为4500~8000rpm，时间为120~200秒。
所述步骤⑶中真空干燥的条件是指温度为30~60℃、真空度为-0.09~-0.07MPa。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明以五羰基铁为前驱体，油胺为溶剂，引入SbCl3作为助剂，通过Fe(CO)5热分解在常压普通惰气气氛下制备出了高结晶、粒径均一的体心立方相的Fe纳米粒子。
2、本发明中SbCl3的加入改善了热分解产生的无定形Fe纳米粒子的表面包覆状态，利于无定形Fe的熟化结晶，从而得到结晶产物。
3、本发明选取了无毒且沸点较高的油胺作为反应溶剂，降低了对环境的污染。
4、对本发明所得纳米α-Fe金属粉进行X射线衍射实验，可以发现2θ=(44.673，65.021和82.333°)处出现了衍射峰，这些衍射峰分别对应于Fe的(110)、(200)、(211)晶面(参见图1)，说明得到的Fe纳米粒子为体心立方相，与图2相比，本发明得到了结晶性高、纯度高的Fe纳米粒子。
5、本发明合成的纳米α-Fe金属粉尺寸均一且分布较窄、分散性好（参见图3、4）。
6、本发明采用快速注入法，不需要加压、加氢就能制备出结晶性高、纯度高的Fe纳米粒子，不仅简化了制备工艺，降低了生产成本，而且降低了操作难度，无需特制反应器。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1为本发明纳米α-Fe金属粉的X射线衍射图谱(XRD)。
图2为与本发明相同条件下羰基铁分解得到产物的X射线衍射图谱(XRD)。
图3为本发明纳米α-Fe金属粉透射电镜(TEM)照片（50nm）。
图4为本发明纳米α-Fe金属粉透射电镜(TEM)照片。
具体实施方式
实施例1 一种纳米α-Fe金属粉的制备方法，包括以下步骤：
⑴将0.04mmol三氯化锑加入到0.5mL油胺溶液中，搅拌混合均匀，在室温下搅拌并以30mL/min的流速通入惰性气体氮气10min，随后在惰性气体氮气的保护下以5℃/min的速率加热到100℃，并在100℃下保温40min，保温结束后，得到白色浑浊液。
⑵将3mL油胺加入到另一个三颈烧瓶中，在室温下搅拌并以30mL/min的流速通入惰性气体氮气10min，随后在惰性气体氮气的保护下以5℃/min的速率加热到200℃，并在200℃下保温10min，保温结束后，在该温度下快速注入2.00mmol五羰基铁，然后在200℃下保温10min，保温结束后，再快速注入白色浑浊液，继续在200℃下保温10min后自然冷却至室温，得到黑色溶液。
⑶向黑色溶液中加入正己烷洗涤离心3次，在温度为30℃、真空度为-0.07MPa的条件下经真空干燥至恒重，即得到纳米α-Fe金属粉。
其中：正己烷与黑色溶液的体积比为0.5 mL：1 mL。离心速率为4500rpm，时间为120秒。
实施例2 一种纳米α-Fe金属粉的制备方法，包括以下步骤：
⑴将0.06mmol三氯化锑加入到2.5mL油胺溶液中，搅拌混合均匀，在室温下搅拌并以30mL/min的流速通入惰性气体氮气10min，随后在惰性气体氮气的保护下以10℃/min的速率加热到120℃，并在120℃下保温50min，保温结束后，得到白色浑浊液。
⑵将5mL油胺加入到另一个三颈烧瓶中，在室温下搅拌并以30mL/min的流速通入惰性气体氮气10min，随后在惰性气体氮气的保护下以10℃/min的速率加热到270℃，并在270℃下保温10min，保温结束后，在该温度下快速注入2.50mmol五羰基铁，然后在270℃下保温20min，保温结束后，再快速注入白色浑浊液，继续在270℃下保温20min后自然冷却至室温，得到黑色溶液。
⑶向黑色溶液中加入正己烷洗涤离心4次，在温度为30℃、真空度为-0.07MPa的条件下经真空干燥至恒重，即得到纳米α-Fe金属粉。
其中：正己烷与黑色溶液的体积比为0.5 mL：1 mL。离心速率为5000rpm，时间为180秒。
实施例3 一种纳米α-Fe金属粉的制备方法，包括以下步骤：
⑴将0.05mmol三氯化锑加入到3.0mL油胺溶液中，搅拌混合均匀，在室温下搅拌并以40mL/min的流速通入惰性气体氮气15min，随后在惰性气体氮气的保护下以10℃/min的速率加热到130℃，并在130℃下保温60min，保温结束后，得到白色浑浊液。
⑵将5mL油胺加入到另一个三颈烧瓶中，在室温下搅拌并以40mL/min的流速通入惰性气体氮气15min，随后在惰性气体氮气的保护下以15℃/min的速率加热到250℃，并在250℃下保温30min，保温结束后，在该温度下快速注入2.50mmol五羰基铁，然后在250℃下保温20min，保温结束后，再快速注入白色浑浊液，继续在250℃下保温60min后自然冷却至室温，得到黑色溶液。
⑶向黑色溶液中加入正己烷洗涤离心9次，在温度为45℃、真空度为-0.08MPa的条件下经真空干燥至恒重，即得到纳米α-Fe金属粉。
其中：正己烷与黑色溶液的体积比为1.0 mL：1 mL。离心速率为8000rpm，时间为180秒。
实施例4 一种纳米α-Fe金属粉的制备方法，包括以下步骤：
⑴将0.07mmol三氯化锑加入到4.0mL油胺溶液中，搅拌混合均匀，在室温下搅拌并以50mL/min的流速通入惰性气体氮气20min，随后在惰性气体氮气的保护下以15℃/min的速率加热到130℃，并在130℃下保温60min，保温结束后，得到白色浑浊液。
⑵将6mL油胺加入到另一个三颈烧瓶中，在室温下搅拌并以50mL/min的流速通入惰性气体氮气20min，随后在惰性气体氮气的保护下以15℃/min的速率加热到300℃，并在300℃下保温50min，保温结束后，在该温度下快速注入3.50mmol五羰基铁，然后在300℃下保温20min，保温结束后，再快速注入白色浑浊液，继续在300℃下保温40min后自然冷却至室温，得到黑色溶液。
⑶向黑色溶液中加入正己烷洗涤离心5次，在温度为60℃、真空度为-0.08MPa的条件下经真空干燥至恒重，即得到纳米α-Fe金属粉。
其中：正己烷与黑色溶液的体积比为0.5 mL：1 mL。离心速率为7000rpm，时间为200秒。
实施例5 一种纳米α-Fe金属粉的制备方法，包括以下步骤：
⑴将0.06mmol三氯化锑加入到5.0mL油胺溶液中，搅拌混合均匀，在室温下搅拌并以40mL/min的流速通入惰性气体氮气15min，随后在惰性气体氮气的保护下以20℃/min的速率加热到160℃，并在160℃下保温40min，保温结束后，得到白色浑浊液。
⑵将7mL油胺加入到另一个三颈烧瓶中，在室温下搅拌并以40mL/min的流速通入惰性气体氮气15min，随后在惰性气体氮气的保护下以15℃/min的速率加热到280℃，并在280℃下保温50min，保温结束后，在该温度下快速注入4.00mmol五羰基铁，然后在280℃下保温30min，保温结束后，再快速注入白色浑浊液，继续在280℃下保温50min后自然冷却至室温，得到黑色溶液。
⑶向黑色溶液中加入正己烷洗涤离心6次，在温度为60℃、真空度为-0.09MPa的条件下经真空干燥至恒重，即得到纳米α-Fe金属粉。
其中：正己烷与黑色溶液的体积比为3.0 mL：1 mL。离心速率为7500rpm，时间为180秒。
实施例6 一种纳米α-Fe金属粉的制备方法，包括以下步骤：
⑴将0.08mmol三氯化锑加入到5.0mL油胺溶液中，搅拌混合均匀，在室温下搅拌并以60mL/min的流速通入惰性气体氮气10min，随后在惰性气体氮气的保护下以20℃/min的速率加热到160℃，并在160℃下保温100min，保温结束后，得到白色浑浊液。
⑵将6mL油胺加入到另一个三颈烧瓶中，在室温下搅拌并以30mL/min的流速通入惰性气体氮气10min，随后在惰性气体氮气的保护下以20℃/min的速率加热到310℃，并在310℃下保温60min，保温结束后，在该温度下快速注入3.50mmol五羰基铁，然后在310℃下保温60min，保温结束后，再快速注入白色浑浊液，继续在310℃下保温60min后自然冷却至室温，得到黑色溶液。
⑶向黑色溶液中加入正己烷洗涤离心5次，在温度为40℃、真空度为-0.09MPa的条件下经真空干燥至恒重，即得到纳米α-Fe金属粉。
其中：正己烷与黑色溶液的体积比为0.5 mL：1 mL。离心速率为5500rpm，时间为150秒。

Claims (5)

1.一种纳米α-Fe金属粉的制备方法，包括以下步骤：
⑴将0.04~0.08mmol三氯化锑加入到0.5~5.0mL油胺溶液中，搅拌混合均匀，在室温下搅拌并通入惰性气体氮气10~20min，随后在惰性气体氮气的保护下以5~20℃/min的速率加热到100~160℃，并在100~160℃下保温40~100min，保温结束后，得到白色浑浊液；
⑵将3~7mL油胺加入到另一个三颈烧瓶中，在室温下搅拌并通入惰性气体氮气10~20min，随后在惰性气体氮气的保护下以5~20℃/min的速率加热到200~310℃，并在200~310℃下保温10~60min，保温结束后，在该温度下快速注入2.00~4.00mmol五羰基铁，然后在200~310℃下保温10~60min，保温结束后，再快速注入所述白色浑浊液，继续在200~310℃下保温10~60min后自然冷却至室温，得到黑色溶液；
⑶向所述黑色溶液中加入正己烷洗涤离心3~9次，经真空干燥至恒重，即得到纳米α-Fe金属粉。
2.如权利要求1所述的一种纳米α-Fe金属粉的制备方法，其特征在于：所述步骤⑴和所述步骤⑵中惰性气体氮气的流速均为30~60mL/min。
3.如权利要求1所述的一种纳米α-Fe金属粉的制备方法，其特征在于：所述步骤⑶中正己烷与所述黑色溶液的体积比为0.5~3.0 mL：1 mL。
4.如权利要求1所述的一种纳米α-Fe金属粉的制备方法，其特征在于：所述步骤⑶中离心的条件是指离心速率为4500~8000rpm，时间为120~200秒。
5.如权利要求1所述的一种纳米α-Fe金属粉的制备方法，其特征在于：所述步骤⑶中真空干燥的条件是指温度为30~60℃、真空度为-0.09~-0.07MPa。
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