CN106395911A - 一种气相化学运输法制备纳米Fe3‑xSnxO4材料的方法 - Google Patents

一种气相化学运输法制备纳米Fe3‑xSnxO4材料的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种气相化学运输法制备纳米Fe3‑xSnxO4材料的方法，该方法是将SnO2置入含CO和CO2混合气氛中进行焙烧，焙烧烟气直接引入装有纳米羟基铁粉末的炉中，进行二段焙烧，即得纳米Fe3‑xSnxO4，本发明相比传统高温固相反应法焙烧温度低，不会在局部产生液相，产品粒度均匀可控，同时转化率高、反应时间短。

Description

一种气相化学运输法制备纳米Fe3-xSnxO4材料的方法
技术领域
本发明涉及一种纳米Fe3-xSnxO4材料的制备方法，特别涉及一种气相化学运输法制备纳米Fe3-xSnxO4材料的方法，属于锡铁纳米材料制备领域。
背景技术
锡以及锡的多元氧化物具有良好的半导体性能，其中Fe3-xSnxO4广泛的应用于制备铁氧磁性材料、电力变压器铁芯、气敏材料、多相催化剂以及磁性记忆材料等等。尤其是作为铁氧体磁性材料，主要用于磁性天线、电感器、变压器、磁头、耳机、继电器、振动子、延迟线、传感器、微波吸收材料、电磁铁、加速器高频加速腔、磁场探头、磁性基片、磁场屏蔽、高频淬火聚能、电磁吸盘、磁敏元件(如磁热材料作开关)等。
Fe3-xSnxO4的制备方法主要是高温固相反应，在1300℃以上的高温条件下通过固相反应法进行合成，此方法虽然工艺简单，但是过高的反应温度会导致产物晶粒生长过大，产品粒度粗，在几十甚至上百微米粒级，仅适用于制备铁氧体材料和吸波材料等初级用途。
而纳米级的Fe3-xSnxO4具有优良的催化和气敏性能，可以广泛的应用于制备催化剂以及气敏器件。纳米Fe3-xSnxO4的主要制备方法是湿化学合成法，主要包括利用共沉淀和离子交换法，首先将铁和锡的可溶性氯盐或者硝酸盐配成特定比例溶液后，再添加氨水或者NaOH溶液调整pH，使锡和铁共同沉淀，获得羟基锡铁化合物沉淀物，经过有机溶剂的反复过滤、洗涤，将杂质离子洗脱后，最后将沉淀物在200-600℃的温度下进行焙烧脱水，获得锡铁尖晶石产品，湿化学合成法的主要优点是获得产品粒均匀、可控，尤其在制备纳米尺度的颗粒产品。但是湿法过程不可避免使用到各种有机溶剂洗涤剂，会产生一定环境污染；另外湿法合成产率低、制备工艺复杂。然而多元氧化物制备过程中，不同元素的沉淀性质存在差异，导致获得产品中，元素存在偏析，均匀性不佳，严重影响产品质量。
气相化学运输是一种制备高品质单晶物质的方法，主要用于合成溶液体系极其不稳定的多元氯化、硫化、碘化、氧化物等，此方法也用于稀有金属以及稀土元素的分离回收等工艺。气相化学运输法制备的产品纯度高、晶体结构可控。
发明内容
针对现有的制备纳米Fe3-xSnxO4材料的方法存在流程长，产率低等不足，本发明的目的是在于提供一种焙烧温度低、时间短的通过气相运输方法制备高纯度、粒径均匀的Fe3-xSnxO4材料的制备方法，该方法工艺简单、高效，有利于工业化生产。
为了实现上述技术目的，本发明提供了一种气相化学运输法制备纳米Fe3-xSnxO4材料的方法，该方法是将SnO2置于含CO和CO2混合气氛中，于850～950℃温度下进行一段焙烧，焙烧烟气直接引入装有纳米羟基铁粉末的炉中，在875～975℃温度下进行二段焙烧，即得纳米Fe3-xSnxO4。
本发明的技术方案主要针对SnO2性质稳定，在1300℃以下很难与其他物质发生反应的问题，提出一种制备纳米Fe3-xSnxO4材料的全新思路。本发明的技术方案将Fe3-xSnxO4材料的制备分两段进行，一段反应过程中，通过控制还原气氛，可以将SnO2还原成易挥发的SnO；二段反应过程中以纳米羟基铁粉末为原料，其在高温下加热生成纳米铁氧化物，而新生成的纳米铁氧化物与气相SnO接触进行气固原位反应，气态SnO有极高的活性，新生成的纳米铁氧化物反应活性也较高，在适当的温度条件下，两者反应变得容易，生成高纯度的晶相均匀稳定的纳米Fe3-xSnxO4产物。两段焙烧温度均控制在1000℃以下，且二段气固反应为原位反应，产物中不会有液相出现，便于对产物粒度组成的控制，使Fe3-xSnxO4保持原有的纳米铁氧化物前躯体粒径，使产品的粒径均匀。
优选的方案，含CO和CO2混合气氛中CO的体积百分比含量为10～15.5％。
优选的方案，一段和二段的焙烧时间为10～30min。
优选的方案，纳米羟基铁粉末粒径为100～500nm。纳米羟基铁粉末即氢氧化铁沉淀前驱体是通过常规化学沉淀法得到，将其粒径控制在100～500nm是本技术领域容易实现的。
相对现有技术，本发明申请的技术方案带来的有益技术效果：
1)本发明制备纳米Fe3-xSnxO4材料的过程温度控制在1000℃以下，且反应时间控制在10～30min内，使反应条件温和化，达到节能、降低成本的目的。克服了传统的固相反应法制备Fe3-xSnxO4材料需在1300℃以上高温下焙烧，且焙烧时间长的缺陷。
2)本发明申请的技术方案通过SnO气态与纳米铁氧化物固态进行气固原位反应，可以获得纯度高，晶相结构均匀稳定，而粒径分布均匀的纳米Fe3-xSnxO4产物，克服了现有的固相反应方法制备的产物由于有液相出现，难以对产物粒度组成的控制以及产品晶相不均匀，存在组分偏析等缺陷。
附图说明
【图1】是实施例1的产品XRD图谱。
【图2】是实施例1的产品扫描电镜图。
具体实施方式
以下实施例旨在进一步说明本发明内容，而不是限制本发明权利要求的保护范围。
实施例1
以分析纯的SnO2为原料，置于CO与CO2组成的焙烧气氛中进行一段焙烧，焙烧温度为950℃，焙烧气氛为[CO/(CO+CO2)]为10％，焙烧烟气直接随气流通入二段焙烧炉；二段焙烧炉中放置的纳米氢氧化铁粉末，平均粒度为200nm，二段焙烧炉的温度为875℃，焙烧时间10min。焙烧结束后，关闭焙烧炉加热装置，并通入惰性气氛(高纯N2)保护冷却至室温，取出样品，获得高纯纳米Fe3-xSnxO4，经XRD定量分析，产品Fe3-xSnxO4(x＝0.2)，纯度达到99.2％。产品XRD图见图1所示，产品中唯一的物相为Fe3-xSnxO4(x＝0.2)，说明产品纯度高；产品扫描电镜图见图2所示，产品粒度均匀，粒径在200纳米左右。
实施例2
以分析纯的SnO2为原料，置于CO与CO2组成的焙烧气氛中进行一段焙烧，焙烧温度为870℃，焙烧气氛为[CO/(CO+CO2)]为13.5％，焙烧烟气直接随气流通入二段焙烧炉；二段焙烧炉中放置的纳米氢氧化铁粉末，平均粒度为500nm，二段焙烧炉的温度为955℃，焙烧时间20min。焙烧结束后，关闭焙烧炉加热装置，并通入惰性气氛(高纯N2)保护冷却至室温，取出样品，获得高纯纳米Fe3-xSnxO4，经XRD定量分析，产品Fe3-xSnxO4(x＝0.4)，纯度达到99.1％，产品粒度均匀，平均粒径在500纳米左右。
实施例3
以分析纯的SnO2为原料，置于CO与CO2组成的焙烧气氛中进行一段焙烧，焙烧温度为850℃，焙烧气氛为[CO/(CO+CO2)]为15.5％，焙烧烟气直接随气流通入二段焙烧炉；二段焙烧炉中放置的纳米氢氧化铁粉末，平均粒度为250nm，二段焙烧炉的温度为975℃，焙烧时间30min。焙烧结束后，关闭焙烧炉加热装置，并通入惰性气氛(高纯N2)保护冷却至室温，取出样品，获得高纯纳米Fe3-xSnxO4，经XRD定量分析，产品Fe3-xSnxO4(x＝0.5)，纯度达到98.7％，产品粒度均匀，粒径在250纳米左右。
实施例4
以分析纯的SnO2为原料，置于CO与CO2组成的焙烧气氛中进行一段焙烧，焙烧温度为850℃，焙烧气氛为[CO/(CO+CO2)]为10％，焙烧烟气直接随气流通入二段焙烧炉；二段焙烧炉中放置的纳米氢氧化铁粉末，平均粒度为400nm，二段焙烧炉的温度为975℃，焙烧时间30min。焙烧结束后，关闭焙烧炉加热装置，并通入惰性气氛(高纯N2)保护冷却至室温，取出样品，获得高纯纳米Fe3-xSnxO4，经XRD定量分析，产品Fe3-xSnxO4(x＝0.1)，纯度达到99.0％产品粒度均匀，粒径在400纳米左右。

Claims (4)

1.一种气相化学运输法制备纳米Fe3-xSnxO4材料的方法，其特征在于：将SnO2置于含CO和CO2混合气氛中，于850～950℃温度下进行一段焙烧，焙烧烟气直接引入装有纳米羟基铁粉末的炉中，在875～975℃温度下进行二段焙烧，即得纳米Fe3-xSnxO4。
2.根据权利要求1所述的气相化学运输法制备纳米Fe3-xSnxO4材料的方法，其特征在于：所述的含CO和CO2混合气氛中CO的体积百分比含量为10～15.5％。
3.根据权利要求1所述的气相化学运输法制备纳米Fe3-xSnxO4材料的方法，其特征在于：一段和二段的焙烧时间为10～30min。
4.根据权利要求1～3任一项所述的气相化学运输法制备纳米Fe3-xSnxO4材料的方法，其特征在于：所述的纳米羟基铁粉末粒径为100～500nm。
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