CN106082352A - 一种FeAsO4/Fe2O3复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种FeAsO4/Fe2O3复合材料及其制备方法和应用；属于复合材料制备技术领域。所述复合材料包含FeAsO4、Fe2O3；所述复合材料中FeAsO4与Fe2O3满足公式：nFeAsO4/n(FeAsO4+Fe2O3)＝0.005‑0.995。其通过限制被FeAsO4沉淀，然后以FeAsO4沉淀为原料，通过在碱性条件下的反应，得到FeAsO4/Fe2O3复合材料前驱体，经煅烧后，得到成品。本发明操作简单、产品产率高、易于实现大规模生产，所得成品用作传感器时，具有灵敏度高、检出下限低等优势。
Description
技术领域
本发明涉及一种FeAsO4/Fe2O3复合材料及其制备方法和应用；属于复合材料制备技术领域。
背景技术
Fe2O3是一种常见的n型半导体，其α-Fe2O3的禁带宽度为2.1eV，无毒、成本低，被广泛应用于光催化、锂离子电池、气敏传感器等领域，是科研界研究较为深入的物质。其中，Fe2O3具有较高的气敏性，对于可燃气体和有毒气体具有良好的响应，是理想的气敏材料。
将Fe2O3与其他物质复合，能够明显的改善单一材料的性能，获得对于某种特定气体具有较高响应，而对于其他气体响应不高的气体敏感材料。这种响应专一的气敏材料对于特定气体的检测有着明显的优势，具有很强的抗干扰能力。FeAsO4作为一种含砷材料，被研究较少，其结构与性质都比较稳定。
到目前为止还未见有关FeAsO4/Fe2O3复合材料的相关报道。
发明内容
发明人在研究过程中发现由于FeAsO4本身具有磁性，与Fe2O3形成复合材料后，在较高的工作温度下可以与Fe2O3产生协同作用，使其对于二甲苯气体具有特别的响应。
本发明基于上述研究发现，提供一种FeAsO4/Fe2O3复合材料及其制备方法和应用。
本发明一种FeAsO4/Fe2O3复合材料；所述复合材料包含FeAsO4、Fe2O3；所述复合材料中FeAsO4与Fe2O3满足下列公式：
nFeAsO4/n(FeAsO4+Fe2O3)＝0.005-0.995。
其中nFeAsO4表示复合材料中FeAsO4物质的量；n(FeAsO4+Fe2O3)表示复合材料中FeAsO4与Fe2O3的物质的量之和。
本发明一种FeAsO4/Fe2O3复合材料；所述复合材料由核层、过渡层、壳层组成；所述核层为FeAsO4，所述壳层为Fe2O3，所述过渡层由FeAsO4与Fe2O3组成。
本发明一种FeAsO4/Fe2O3复合材料；所述复合材料的微观形貌为纳米球形。
本发明一种FeAsO4/Fe2O3复合材料的制备方法；按铁砷摩尔大于等于1，将水溶性亚铁盐加入含砷溶液中后通入含氧气体，在70℃以上反应，得到FeAsO4沉淀；然后将FeAsO4沉淀加入碱性溶液中反应，反应后经过滤、洗涤、干燥，高温处理，得到FeAsO4/Fe2O3复合材料。
作为优选方案，本发明一种FeAsO4/Fe2O3复合材料的制备方法；首先以砷酸盐为原料配置含砷水溶液，然后调节含砷水溶液pH值至1-5，并加入水溶性亚铁盐，在70℃-90℃反应，反应过程中保持通入含氧气体；反应结束后，过滤、洗涤、干燥得到浅绿色FeAsO4沉淀；接着将FeAsO4沉淀加入到碱性溶液中反应，反应后经过滤、洗涤、干燥，高温处理，得到红色FeAsO4/Fe2O3复合材料。
本发明一种FeAsO4/Fe2O3复合材料的制备方法；所述砷酸盐选自Na3AsO4、NaH2AsO4、Na2HAsO4中的至少一种。
本发明一种FeAsO4/Fe2O3复合材料的制备方法；所述含砷水溶液中砷含量为5-50克/升。
在工业化应用时，用浓H2SO4和NaOH调节含砷水溶液pH值。
本发明一种FeAsO4/Fe2O3复合材料的制备方法；所述水溶性亚铁盐选自FeSO4、FeCl2、Fe(NO3)2中的至少一种。
本发明一种FeAsO4/Fe2O3复合材料的制备方法；按铁砷摩尔比1.2～5：1，将水溶性亚铁盐加入含砷溶液中。
本发明一种FeAsO4/Fe2O3复合材料的制备方法；按0.1～5升/每分钟的流速通入含氧气体；所述含氧气体中氧的体积百分含量为15-100％；所述含氧气体优选为空气。
本发明一种FeAsO4/Fe2O3复合材料的制备方法；在70℃以上反应6～12小时，得到FeAsO4沉淀。
本发明一种FeAsO4/Fe2O3复合材料的制备方法；所述碱性溶液中，氢氧根离子的浓度大于等于0.1mol/l；优选为0.1-10mol/l。
本发明一种FeAsO4/Fe2O3复合材料的制备方法；所述碱性溶液优选为氢氧化钠溶液、氢氧化钾溶液、氨水等不与砷酸根形成沉淀的碱性物质中的一种。
本发明一种FeAsO4/Fe2O3复合材料的制备方法；将FeAsO4沉淀加入碱性溶液中反应5～600分钟。在工业化应用时通过控制FeAsO4沉淀在碱性溶液中的反应时间以及反应时的pH值就可以有效控制复合材料中FeAsO4与Fe2O3的摩尔比。
本发明一种FeAsO4/Fe2O3复合材料的制备方法；所述高温处理温度为200～600℃；时间为1～5小时。
本发明一种FeAsO4/Fe2O3复合材料的制备方法；所得FeAsO4/Fe2O3复合材料呈纳米颗粒状；15-30颗纳米颗粒组成直径为250-350nm的纳米球。
本发明一种FeAsO4/Fe2O3复合材料的应用，包括用作传感器。
本发明一种FeAsO4/Fe2O3复合材料的应用，所述传感器用于检测二甲苯气体。
本发明一种FeAsO4/Fe2O3复合材料的应用，所述传感器用于检测二甲苯气体时，FeAsO4/Fe2O3复合材料中FeAsO4与Fe2O3的摩尔比优选为0.05-0.35。
本发明一种FeAsO4/Fe2O3复合材料的应用，所述传感器用于检测二甲苯气体时，其检测范围的下限值为10ppm。
优势
本发明设计了一种FeAsO4/Fe2O3复合材料并开发出了该材料较为优异的制备方法以及该材料在二甲苯气体检测中的应用。本发明复合材料结构设计合理，制备方法工艺简单，可控、成本低，具有有很好的工业化基础。其应用于二甲苯气体检测是具有灵敏度高、检出下限低的优势。
附图说明
图1为实施例1所制备FeAsO4/Fe2O3复合材料的扫描电镜图；
图2为实施例1所制备FeAsO4/Fe2O3复合材料的X射线粉末衍射图；
图3为实施例1所制备FeAsO4/Fe2O3复合材料用作传感器时对不同气体的气敏选择性条形图。
从图1可以看出所制备FeAsO4/Fe2O3复合材料的微观形貌。
从图2中可以看出实施例1所制备的粉末为FeAsO4/Fe2O3复合材料。
从图3中可以看出所制备FeAsO4/Fe2O3复合材料用作传感器时，对二甲苯气的响应值较大。
具体实施方法
以下实施例旨在说明本发明而不是对本发明的进一步限定。
本发明实施例中，以所制备的FeAsO4/Fe2O3复合材料制备传感器时，其所用技术均为现有技术。
实施例1
称取169.6克Na3AsO4·12H2O溶解于1升蒸馏水中，制备1升30克/升的含砷溶液，使用浓H2SO4调节溶液pH到1。按照铁砷摩尔比1.5称取166.83克的FeSO4·7H2O，加入到溶液中并保持溶液搅拌。向溶液中通入氧气，流速为2升/分钟。将溶液加热至90摄氏度，保持搅拌与通氧反应7个小时。待溶液冷却后过滤，沉淀用去离子水洗涤，干燥，得到浅绿色粉末固体。将所得到的固体粉末浸泡于pH为14的NaOH溶液中240分钟，过滤、洗涤、干燥，将产物在高温炉中500摄氏度煅烧2小时，得到红色粉末，此为目标产物FeAsO4/Fe2O3复合材料。
将所得红色粉末制成传感器后，用于检测不同气体；其所得结果见图3。同时进一步做了二甲苯最低检出值实验，其最低检出值为10ppm。
实施例2
称取109.3克NaH2AsO4溶解于1升蒸馏水中，制备1升50克/升的含砷溶液，使用浓H2SO4调节溶液pH到3。按照铁砷摩尔比2称取397.62克的FeCl2·4H2O，加入到溶液中并保持溶液搅拌。向溶液中通入空气，流速为5升/分钟。将溶液加热至80摄氏度，保持搅拌与通氧反应9个小时。待溶液冷却后过滤，沉淀用去离子水洗涤，干燥，得到浅绿色粉末固体。将所得到的固体粉末浸泡于pH为15的NaOH溶液中60分钟，过滤、洗涤、干燥，将产物在高温炉中400摄氏度煅烧3小时，得到红色粉末，此为目标产物。
将所得红色粉末制成传感器后，用于检测二甲苯；最低检出值实验，其最低检出值为10ppm。
实施例3
称取24.65克Na2HAsO4溶解于1升蒸馏水中，制备1升10克/升的含砷溶液，使用浓H2SO4调节溶液pH到3。按照铁砷摩尔比2称取74.15克的FeSO4·7H2O，加入到溶液中并保持溶液搅拌。向溶液中通入氧气，流速为1升/分钟。将溶液加热至70摄氏度，保持搅拌与通氧反应6个小时。待溶液冷却后过滤，沉淀用去离子水洗涤，干燥，得到浅绿色粉末固体。将所得到的固体粉末浸泡于pH为13的NaOH溶液中600分钟，过滤、洗涤、干燥，将产物在高温炉中600摄氏度煅烧2小时，得到红色粉末，此为目标产物。
将所得红色粉末制成传感器后，用于检测二甲苯；最低检出值实验，其最低检出值为10ppm。
Claims (10)
1.一种FeAsO4/Fe2O3复合材料；其特征在于：所述复合材料包含FeAsO4、Fe2O3；所述复合材料中FeAsO4与Fe2O3满足下列公式：
nFeAsO4/n(FeAsO4+Fe2O3)＝0.005-0.995。
2.根据权利要求1所述的一种FeAsO4/Fe2O3复合材料；其特征在于：所述复合材料由核层、过渡层、壳层组成；所述核层为FeAsO4，所述壳层为Fe2O3，所述过渡层由FeAsO4与Fe2O3组成。
3.根据权利要求1所述的一种FeAsO4/Fe2O3复合材料；其特征在于：所述复合材料的微观形貌为纳米球形。
4.一种制备如权利要求1-3任意一项所述FeAsO4/Fe2O3复合材料的方法；其特征在于：按铁砷摩尔大于等于1，将水溶性亚铁盐加入含砷溶液中后通入含氧气体，在70℃以上反应，得到FeAsO4沉淀；然后将FeAsO4沉淀加入碱性溶液中反应，反应后经过滤、洗涤、干燥，高温处理，得到FeAsO4/Fe2O3复合材料。
5.根据权利要求4所述的一种FeAsO4/Fe2O3复合材料的制备方法；其特征在于：首先以砷酸盐为原料配置含砷水溶液，然后调节含砷水溶液pH值至1-5，并加入水溶性亚铁盐，在70℃-90℃反应，反应过程中保持通入含氧气体；反应结束后，过滤、洗涤、干燥得到浅绿色FeAsO4沉淀；接着将FeAsO4沉淀加入到碱性溶液中反应，反应后经过滤、洗涤、干燥，高温处理，得到红色FeAsO4/Fe2O3复合材料。
6.根据权利要求5所述的一种FeAsO4/Fe2O3复合材料的制备方法；其特征在于：所述砷酸盐选自Na3AsO4、NaH2AsO4、Na2HAsO4中的至少一种。
7.根据权利要求5所述的一种FeAsO4/Fe2O3复合材料的制备方法；其特征在于：
所述含砷水溶液中砷含量为5-50克/升。
所述水溶性亚铁盐选自FeSO4、FeCl2、Fe(NO3)2中的至少一种。
8.根据权利要求7所述的一种FeAsO4/Fe2O3复合材料的制备方法；其特征在于：
按铁砷摩尔比1.2～5：1，将水溶性亚铁盐加入含砷溶液中；
按0.1～5升/每分钟的流速通入含氧气体；所述含氧气体中氧的体积百分含量为15-100％；
在70℃以上反应6～12小时，得到FeAsO4沉淀；将FeAsO4沉淀加入碱性溶液中反应5～600分钟后，经过滤、洗涤、干燥处理后，再在200～600℃进行高温处理1～5小时，得到红色FeAsO4/Fe2O3复合材料。
9.一种制备如权利要求1-3任意一项所述FeAsO4/Fe2O3复合材料的应用，其特征在于：所述应用包括用作传感器。
10.根据权利要求9所述的一种FeAsO4/Fe2O3复合材料的应用，其特征在于：所述传感器用于检测二甲苯气体。
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