CN106044865B - 一种花状四氧化三铁纳米材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种花状四氧化三铁纳米材料及其制备方法，以七水合硫酸亚铁和氢氧化钾为原料，聚乙烯吡咯烷酮为结构导向剂剂，硝酸钠为氧化剂，先制备氢氧化亚铁深绿色胶体，然后经过氧化过程，在70～90℃水浴100～180min，即制得花状四氧化三铁纳米材料。本发明的材料分散性好，对磷和镉金属镉(Ⅱ)的吸附性能好。在生物医学、电子工业、环境保护等领域具有潜在应用价值。
Description
技术领域
本发明属于纳米材料制备技术领域，具体涉及一种花状四氧化三铁纳米材料及其制备方法。
背景技术
纳米四氧化三铁(Fe3O4)具有良好的化学稳定性，其原料价格低廉，制备方法相对简单。在生物医学、电子工业和环境保护等领域具有广泛的应用。可以作为靶向药物、数据存储及去除环境污染物的载体。因此，研究合成纳米四氧化三铁对发展纳米技术具有重要的理论价值和实际意义。
纳米材料的性能与形貌结构存在构效关系，合成特殊形貌的纳米Fe3O4是其研究的热点之一。Kumar等采用β-环糊精结构中的孔道合成了均匀、长短大致相同的Fe3O4纳米棒(Kumar R V,Koltypin Y,Xu X N,et al.J.Appl.Phys.,2001,89(11):6324-6328)。Wang等利用电化学制备方法合成了“十”字形的Fe3O4纳米粒子(Wang C Y,Zhu G M,Chen Z Y,etal.Mater.Res.Bull.,2002,37:2525-2529)。Wang等采用水热法并借助磁场的诱导作用制备了Fe3O4纳米线(Wang J,Chen Q W,Zeng C,et al.Adv.Mater.,2004,16(2):137-139)。Wu等采用磁场辅助水热法成功合成了链状纳米Fe3O4(Wu M Z,Xiong Y,Jia Y S,etal.Chem.Phys.Lett.,2005,401：374-379)。Liu等采用化学气相沉积法合成了金字塔形Fe3O4纳米粒子(Liu F,Gao P J,Zhang H R,et al.Adv.Mater.,2005,17:1893-1897)。Zhu等采用溶剂热法在高压反应釜内反应成功制备了多孔Fe3O4纳米微球(Zhu M,Diao G.S.TheJournal ofPhysical Chemistry C.,2011,115(39):18923-18934)。Safari J等采用改进的共沉淀法绿色合成了不规则颗粒状Fe3O4(Safari J,Zarnegar Z,Hekmatara H.Metal-Organic,and Nano-Metal Chemistry.,2016,46:1047-1052)。通过纳米研究工作者的不断研究，已制备出了多种形貌的四氧化三铁纳米结构，如纳米棒、纳米线、纳米链、纳米微球、四面体、八面体等，但制备的四氧化三铁粒子依然存在粒径较大、团聚现象严重的问题。而且就目前文献报道而言，却鲜见有制备花状四氧化三铁纳米结构的报道。
发明内容
为解决上述技术问题是提供一种花状四氧化三铁纳米材料及其制备方法，以克服现有制备方法制得的四氧化三铁粒径大、团聚现象严重以及未见有花状结构的问题。
为实现上述技术问题，本发明的技术方案是提供一种花状四氧化三铁纳米材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)用去离子水分别配制浓度为0.5～0.7mol/L的Fe2+和1.0～1.6mol/L KOH溶液，且往上述KOH溶液中加入聚乙烯吡咯烷酮，使其浓度为0.5～0.7mmol/L；
(2)搅拌条件下，按Fe2+和KOH摩尔数为1:2的比例，将KOH溶液滴加至Fe2+溶液中形成深绿色胶体，再滴加浓度为1.5～2.3mol/L NaNO3溶液10mL，搅拌40～60min；
(3)将上述溶液70～90℃条件下水浴加热100～180min，冷却后过滤；
(4)将过滤所得固体于60～80℃干燥箱中保温6～10h后进行磁性分离，即得花状四氧化三铁纳米材料。
优选的，所述花状四氧化三铁纳米材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)分别称取0.045mol的FeSO4·7H2O和0.09molKOH固体，分别溶于90mL的去离子水中，并在KOH溶液中加入聚乙烯吡咯烷酮0.045mmol；
(2)在搅拌条件下，将溶有聚乙烯吡咯烷酮的KOH溶液滴加至FeSO4溶液中形成深绿色胶体，再滴加含0.015mol的NaNO3溶液10mL，搅拌40min；
(3)将反应后的溶液在90℃条件下水浴加热100min，冷却后过滤，；
(4)将过滤所得固体放入60℃干燥箱保温10h后进行磁性分离，即得花状四氧化三铁纳米材料。
优选的，所述花状四氧化三铁纳米材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)分别称取0.063mol的FeSO4·7H2O和0.126mol KOH固体，分别溶于90mL的去离子水中，并在KOH溶液中加入0.054mmol的聚乙烯吡咯烷酮；
(2)在搅拌条件下，将溶有结构导向剂的KOH溶液滴加至FeSO4溶液中形成深绿色胶体，再滴加含0.021mol的NaNO3溶液10mL，搅拌50min；
(3)将反应后的溶液在80℃条件下水浴加热140分钟，冷却后过滤：
(4)将过滤所得固体放入70℃干燥箱保温8h后进行磁性分离，即得花状四氧化三铁纳米材料。
与已有四氧化三铁纳米结构及其制备技术相比，本发明所取得的有益效果为：(1)本发明在温和、易控条件下成功制备出了花状四氧化三铁纳米材料，填补了现有技术没有花状结构的空白，为四氧化三铁的形貌添加一个新品种。(2)本发明制备出的花状四氧化三铁分散性好，粉体柔软且分散性良好，无需研磨；(3)本发明采用硝酸钠作氧化剂比空气作氧化剂制备出的四氧化三铁的比饱和磁化强度要高，比饱和磁化强度超过85A·m2/kg。(4)本发明采用常规的化学合成技术，绿色环保，操作简单，成本经济低廉，适宜工业化生产。
附图说明
图1为实施例1所制得花状四氧化三铁的X射线衍射分析(XRD)图。
图2为实施例1所制得花状四氧化三铁的扫描电子显微镜(SEM)照片。
图3为实施例1所制得花状四氧化三铁去除模拟污水中磷的去除效果图。
图4本实施例1所制得花状四氧化三铁去除模拟污水中属镉(Ⅱ)离子的去除效果图。
图5本实施例2所制得花状四氧化三铁去除模拟污水中属镉(Ⅱ)离子的去除效果图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步具体说明。
实施例1
本发明的花状四氧化三铁纳米材料采用以下工艺制备：(1)分别称取0.045mol的七水合硫酸亚铁和0.090mol氢氧化钾固体，分别溶于90mL的去离子水中，并在氢氧化钾溶液中加入0.45mmol的结构导向剂聚乙烯吡咯烷酮；(2)在搅拌条件下，将溶有结构导向剂的氢氧化钾溶液滴加至亚铁离子溶液中形成深绿色胶体，再滴加含0.015mol的硝酸钠溶液10mL，搅拌40分钟；(3)将反应后的溶液在90℃条件下水浴加热100分钟，待溶液冷却后进行过滤，在干燥箱中温度为60℃时干燥10小时；(4)将干燥后的产物进行磁性分离，即得花状四氧化三铁纳米材料。
图1是实施例1所制得的花状四氧化三铁的X射线衍射(XRD)图，图中谱线峰位与JCPDS卡片(26-1136)四氧化三铁的衍射峰一一对应。
图2为实施例1所制备的花状四氧化三铁的扫面电子显微镜(SEM)照片，四氧化三铁呈现花状，而且分散性较好，直径在0.3～0.6um，厚度为60～120nm。
称取0.1g实施例1所制得的花状四氧化三铁进行磷吸附实验，结果如图3所示，在常温20℃的50mL磷溶液中进行震荡吸附，在磷溶液较低初始浓度2.5mg/L时的最大去除率达到98％以上。
将制得的花状四氧化三铁进行金属镉(Ⅱ)离子吸附实验，实验结果如图4所示，金属镉(Ⅱ)离子初始浓度为20mg/L，四氧化三铁用量为0.02g，在不同pH条件下20℃震动吸附24h，重金属镉(Ⅱ)的最大去除率超过96％。
实施例2
本发明的花状四氧化三铁纳米材料采用以下工艺制备：(1)分别称取0.054mol的七水合硫酸亚铁和0.108mol氢氧化钾固体，分别溶于90mL的去离子水中，并在氢氧化钾溶液中加入0.045mmol的结构导向剂聚乙烯吡咯烷酮；(2)在搅拌条件下，将溶有结构导向剂的氢氧化钾溶液滴加至亚铁离子溶液中形成深绿色胶体，再滴加含0.018mol的硝酸钠溶液10mL，搅拌45分钟；(3)将反应后的溶液在85℃条件下水浴加热120分钟，待溶液冷却后进行过滤，在干燥箱中温度为65℃时干燥9小时；(4)将干燥后的产物进行磁性分离，即得花状四氧化三铁纳米材料。
将制得的花状四氧化三铁进行金属镉(Ⅱ)离子吸附实验，实验结果如图5所示，金属镉(Ⅱ)离子初始浓度为20mg/L，通过改变不同质量的四氧化三铁，20℃震动吸附24h，pH为6.32，四氧化三铁用量超过0.06g时，重金属镉(Ⅱ)的去除率保持在93％以上。
实施例3
本发明的花状四氧化三铁纳米材料采用以下工艺制备：(1)分别称取0.0585mol的七水合硫酸亚铁和0.117mol氢氧化钾固体，分别溶于90mL的去离子水中，并在氢氧化钾溶液中加入0.050mmol的结构导向剂聚乙烯吡咯烷酮；(2)在搅拌条件下，将溶有结构导向剂的氢氧化钾溶液滴加至亚铁离子溶液中形成深绿色胶体，再滴加含0.0195mol的硝酸钠溶液10mL，搅拌50分钟；(3)将反应后的溶液在80℃条件下水浴加热140分钟，待溶液冷却后进行过滤，在干燥箱中温度为70℃时干燥8小时；(4)将干燥后的产物进行磁性分离，即得花状四氧化三铁纳米材料。
实施例4
本发明的花状四氧化三铁纳米材料采用以下工艺制备：(1)分别称取0.063mol的七水合硫酸亚铁和0.126mol氢氧化钾固体，分别溶于90mL的去离子水中，并在氢氧化钾溶液中加入0.054mmol的结构导向剂聚乙烯吡咯烷酮；(2)在搅拌条件下，将溶有结构导向剂的氢氧化钾溶液滴加至亚铁离子溶液中形成深绿色胶体，再滴加含0.021mol的硝酸钠溶液10mL，搅拌55分钟；(3)将反应后的溶液在75℃条件下水浴加热160分钟，待溶液冷却后进行过滤，在干燥箱中温度为75℃时干燥7小时；(4)将干燥后的产物进行磁性分离，即得花状四氧化三铁纳米材料。
实施例5
本发明的花状四氧化三铁纳米材料采用以下工艺制备：(1)分别称取0.072mol的七水合硫酸亚铁和0.144mol氢氧化钾固体，分别溶于90mL的去离子水中，并在氢氧化钾溶液中加入0.063mol的结构导向剂聚乙烯吡咯烷酮；(2)在搅拌条件下，将溶有结构导向剂的氢氧化钾溶液滴加至亚铁离子溶液中形成深绿色胶体，再滴加含0.024mol的硝酸钠溶液10mL，搅拌60分钟；(3)将反应后的溶液在70℃条件下水浴加热180分钟，待溶液冷却后进行过滤，在干燥箱中温度为70℃时干燥6小时；(4)将干燥后的产物进行磁性分离，即得花状四氧化三铁纳米材料。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (3)
1.一种花状四氧化三铁纳米材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)用去离子水分别配制浓度为0.5～0.7mol/L的Fe2+和1.0～1.6mol/L KOH溶液，且往上述KOH溶液中加入聚乙烯吡咯烷酮，使其浓度为0.5～0.7mmol/L；
(2)搅拌条件下，按Fe2+和KOH摩尔数为1:2的比例，将上述KOH溶液滴加至Fe2+溶液中形成深绿色胶体，再滴加浓度为1.5～2.3mol/LNaNO3溶液10mL，搅拌40～60min；
(3)将上述溶液70～90℃条件下水浴加热100～180min，冷却后过滤；
(4)将过滤所得固体于60～80℃干燥箱中保温6～10h后进行磁性分离，即得花状四氧化三铁纳米材料。
2.根据权利要求1所述的花状四氧化三铁纳米材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)分别称取0.045mol的FeSO4·7H2O和0.09molKOH固体，分别溶于90mL的去离子水中，并在KOH溶液中加入聚乙烯吡咯烷酮0.045mmol；
(2)在搅拌条件下，将上述KOH溶液滴加至FeSO4溶液中形成深绿色胶体，再滴加含0.015mol的NaNO3溶液10mL，搅拌40min；
(3)将反应后的溶液在90℃条件下水浴加热100min，冷却后过滤；
(4)将过滤所得固体放入60℃干燥箱保温10h后进行磁性分离，即得花状四氧化三铁纳米材料。
3.根据权利要求1所述的花状四氧化三铁纳米材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)分别称取0.063mol的FeSO4·7H2O和0.126mol KOH固体，分别溶于90mL的去离子水中，并在KOH溶液中加入0.054mmol的聚乙烯吡咯烷酮；
(2)在搅拌条件下，将上述KOH溶液滴加至FeSO4溶液中形成深绿色胶体，再滴加含0.021mol的NaNO3溶液10mL，搅拌50min；
(3)将反应后的溶液在80℃条件下水浴加热140分钟，冷却后过滤：
(4)将过滤所得固体放入70℃干燥箱保温8h后进行磁性分离，即得花状四氧化三铁纳米材料。
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