CN109987640B - 一种制备纳米α-Fe2O3的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种制备纳米α‑Fe2O3的方法，属于纳米材料制备技术领域。该方法将铁源与无水碳酸钠混合研磨后置入不锈钢反应釜，升温至100～200℃，晶化36～72小时，晶化结束后，急速冷却、洗涤、干燥滤饼，得到纳米α‑Fe2O3。其中，所用的铁源为易溶于水的铁盐或者以含铁量95％以上的固废。该方法利用无溶剂法，制备过程中无二次污染，绿色环保。本发明第一次将无溶剂法应用在以固体废弃物为原料合成纳米α‑Fe2O3的工艺中。该发明以含铁固废为原料利用无溶剂法合成纳米α‑Fe2O3，工艺简单、产品附加值高、适用范围广。该技术不仅可缓解固废带来的资源与环境问题，而且可制备高附加值产品，经济和生态环境效益并举。

Description

一种制备纳米α-Fe2O3的方法
技术领域
本发明涉及纳米材料制备技术领域，特别是指一种制备纳米α-Fe2O3的方法。
背景技术
随着纳米科技的飞速发展，纳米材料已经对社会，人类生活，生产经济以及科技进步产生重要的意义，纳米材料特殊的界面结构使其具有传统意义上的材料所不具备的物理和化学性质，被广泛用于医疗，电子，生物工程等领域。纳米α-Fe2O3是一种重要的窄禁带n型半导体材料，具有稳定性好，无毒性，廉价易得等优点。当氧化铁的尺寸范围在0.1-100nm时，表面原子数占总原子数的比例急剧变大，会展现出一些纳米材料所具备的特殊性能，如独特的光，磁和电性能。纳米α-Fe2O3在无机染料，催化剂，气体和湿度传感器，光电化学电池的阳极，光催化反应，水处理以及锂离子电池等应用上有着突出的表现。目前研究者已经采用不同的方法制备出多种形貌的α-Fe2O3纳米材料，并发现其性能与其结构和尺寸有着密不可分的联系，因此制备具有特殊结构的纳米氧化铁对目标功能性器件的开发显得尤为重要。
纳米α-Fe2O3的窄带宽度(～2.1eV)能够充分的利用太阳光中的可见光部分，但其光生载流子的扩散自由程较短，激发的电子和空穴都容易再复合，从而使其导光催化性能受到限制，α-Fe2O3纳米材料的粒径形貌的不同会使材料的内部禁带结构以及比表面积也有所不同，进而影响对光源的吸收效率，表面物质的吸附以及材料的光催化性能等。因此，对α-Fe2O3的生长机制进行深入研究，开发出简单绿色的合成方法，并能够可控制备特定粒径和形貌的α-Fe2O3纳米材料，研究其光电催化特性，具有十分重要的意义。
通常制备纳米α-Fe2O3的方法是化学沉淀法，水热法，溶胶-凝胶法。沉淀法能很好的控制和促进铁盐的水解，但是对水解温度的控制要求比较高，温度过高水分蒸发过快，体系浓度难以控制，铁盐的水解也会加快，会导致成核不均匀，温度过低则不利于水解反应的进行；溶胶-凝胶法制备的纳米粒子大小均匀，粒径比较小，但是工艺复杂，需要大量的有机溶剂，成本高；水热法是目前制备α-Fe2O3的常用方法，可以很好的控制反应过程，保证成核的均匀性，产品均为纳米粒子，辅加表面活性剂会合成不同形貌的纳米α-Fe2O3，用于多种高端材料，但是水热法在制备纳米α-Fe2O3过程中不能完全避免溶剂的使用，产生大量的含碱废水并且降低纳米α-Fe2O3合成设备的空间利用率。无溶剂法是指在纳米α-Fe2O3制备工艺过程中不使用任何溶剂，经过简单混合研磨后直接置入反应釜在一定温度下密封静置合成，此工艺简单、设备利用率高，在纳米α-Fe2O3制备上第一次被提出，并且目前尚无以固体废弃物为原料利用无溶剂法合成分子筛的报道。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种制备纳米α-Fe2O3的方法。
该方法包括步骤如下：
(1)将铁源与无水碳酸钠按照一定的比例混合，然后研磨1～10分钟，得到混合物；
(2)将步骤(1)得到的混合物置入不锈钢反应釜，升温至100～200℃，晶化36～72小时，晶化结束后，急速冷却、洗涤、干燥滤饼，得到纳米α-Fe2O3。
其中，步骤(1)中铁源与无水碳酸钠的比例为：n(Fe3+)/n(CO3 2-)＝0.3～1.0。
步骤(1)中铁源为易溶于水的铁盐或者为含铁量95％以上的固废。
固废首先超导分离技术提纯，之后将提纯后的固废改性后酸浸，结晶成 FeCl3晶体。
改性为采用高温加热方式对含提纯后的固废进行改性处理，改性处理温度为400～600℃，改性处理时间为1～3小时。将改性后的铁泥用酸溶解，加热浓缩，冷却结晶，过滤干燥，得到铁盐晶体，以此作为制备纳米α-Fe2O3铁源。
本发明制备过程利用各种易溶于水的铁盐和溶于酸的含铁固废作为原料： (1)以易溶于水的盐铁为原料，可直接进行实验，无需进行原料预处理。(2) 以含铁固废为原料，需要预先对原料预处理，将含铁元素的化合物以及单质进行提纯，纯度达到95％以上，然后需要将铁氧化物高温改性，使固废中的Fe 全部以Fe3+的形式存在。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
(1)为纳米α-Fe2O3的合成提供了全新的方法，并且扩展了原料范围，含铁固体废弃物找到了新用途。
(2)按照本发明方法制备纳米α-Fe2O3，反应混合物的原料物质中不含溶剂。此方法可以提高纳米α-Fe2O3合成设备的利用率，降低生产成本，减少生产过程中的污染。
(3)本发明完成了对含铁固废的高附加值利用。
附图说明
图1为本发明实施例1中采用该制备纳米α-Fe2O3的方法合成的纳米α-Fe2O3的X射线衍射谱图；
图2为本发明实施例1中采用该制备纳米α-Fe2O3的方法合成的纳米α-Fe2O3的电镜图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明提供一种制备纳米α-Fe2O3的方法。
该方法首先将铁源与无水碳酸钠按照一定的比例混合，然后研磨1～10分钟，得到混合物；然后将得到的混合物置入不锈钢反应釜，升温至100～200℃，晶化36～72小时，晶化结束后，急速冷却、洗涤、干燥滤饼，得到纳米α-Fe2O3。
实施例1
以FeCl3·6H2O为原料，取1.35g FeCl3·6H2O晶体加1.59g Na2CO3混合研磨5分钟，将混合物置入密封的不锈钢反应釜中升温到150℃恒温静置晶化54 小时。晶化结束后，急速冷却、洗涤、干燥滤饼，得到晶化产物。经X射线衍射(XRD)测试，其产物为α-Fe2O3，α-Fe2O3晶体尺寸为15～20nm。其XRD 图与电镜图见图1和图2。
实施例2
以铁泥为原料，高温改性后以盐酸溶解，加热浓缩，冷却结晶，干燥后获得三氯化铁晶体，取1.35g FeCl3·6H2O晶体加1.59g Na2CO3混合研磨5分钟，将混合物置入密封的不锈钢反应釜中升温到150℃恒温静置晶化54小时。晶化结束后，急速冷却、洗涤、干燥滤饼，得到晶化产物。经X射线衍射(XRD) 测试，其产物为α-Fe2O3，α-Fe2O3晶体尺寸为15～20nm。
实施例3
以转炉灰为原料，通过超导设备分离含铁物质，将含铁物质高温改性后以盐酸溶解，加热浓缩，冷却结晶，干燥后获得三氯化铁晶体，取1.35g FeCl3·6H2O 晶体加1.59gNa2CO3混合研磨5分钟，将混合物置入密封的不锈钢反应釜中升温到150℃恒温静置晶化54小时。晶化结束后，急速冷却、洗涤、干燥滤饼，得到晶化产物。经X射线衍射(XRD)测试，其产物为α-Fe2O3，α-Fe2O3晶体尺寸为15～20nm。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种制备纳米α-Fe2O3的方法，其特征在于：包括步骤如下：
（1）将铁源与无水碳酸钠按照n(Fe3+)/n(CO3 2-)=0.3~1.0的比例混合，然后研磨1~10分钟，得到混合物；
（2）将步骤（1）得到的混合物置入不锈钢反应釜，升温至100~200℃，晶化36~72小时，晶化结束后，急速冷却、洗涤、干燥滤饼，得到纳米α-Fe2O3；
所述步骤（1）中铁源为易溶于水的铁盐或者为含铁量95%以上的固废；
所述固废首先经超导分离技术提纯，之后将提纯后的固废高温改性后酸浸，使固废中的Fe全部以Fe3+的形式存在。
2.根据权利要求1所述的制备纳米α-Fe2O3的方法，其特征在于：所述改性为：采用高温加热方式对提纯后的固废进行改性处理，改性处理温度为400~600℃，改性处理时间为1~3小时。
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