CN115386955B - 一种介孔三氧化二铁单晶及其水热制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及单晶材料制备技术领域，尤其涉及一种介孔三氧化二铁单晶及其水热制备方法。其主要针对现有手段中纳米三氧化二铁的活性受限于传质与活性位点数量，制备单晶材料费时费力、成本高等问题，提出如下技术方案：所述介孔三氧化二铁单晶为梭型形貌，颗粒长宽尺寸分别为160‑500nm、90‑270nm；所述介孔三氧化二铁单晶的比表面积为20‑50m2/g，孔容为0.10‑0.30cm3/g；其中介孔为球形孔，孔径分布为5‑10nm。本发明制备的成本低，可等比例放大，在能源、热催化、光(电)催化、催化剂载体等众多领域具有广泛的应用前景，主要应用于单晶介孔材料的合成。

Description

一种介孔三氧化二铁单晶及其水热制备方法
技术领域
本发明涉及单晶材料制备技术领域，尤其涉及一种介孔三氧化二铁单晶及其水热制备方法。
背景技术
近年来，具有丰富介观结构的介孔材料由于高比表面积、大孔容、2～50nm可调的孔径而受到广泛关注。合成较为成熟的硅基、高分子基、碳基有序介孔材料以其低密度、化学惰性、良好的机械稳定性和生物相容性等性质成功应用于催化、生物医学、吸附和分离、能量存储等领域。然而硅基、碳基材料只具有无定形介孔骨架，即原子排布不具有长程有序性，因此往往缺乏光、电、磁、催化、传感等领域的化学活性，限制了介孔材料的潜在使用价值和发展；
晶态介孔材料的发展仍非常缓慢，主要是因为其可控合成的巨大困难，其一，目前普遍使用的含金属的酯类前驱体水解速率都普遍较快，组装过程对环境温度、湿度要求更苛刻，导致成功率低、重复率差；而常见的金属阳离子与表面活性剂的相互作用力普遍较弱，在自组装过程中不利于形成稳定介观结构，前驱物与模板剂之间往往分相；其二，当介观结构形成之后，控制骨架的晶化过程也极具挑战，即脱除模板时所需要的以煅烧、微波、等方法会加速晶粒生长、融合，同时失去模版剂的支撑导致介观结构坍塌。
以元素组成的广泛性、结晶度和介观结构的可调性为代表的诸多难题还缺乏创新，晶态介孔材料的制备目前仍是介孔材料家族拓展的重大难题。
纳米三氧化二铁材料在生物医学、传统催化、光电催化等能源催化领域中有重要的作用，但是其活性往往受限于传质与活性位点数量；传统合成策略一部分需要借助介孔氧化硅或介孔碳作为硬模板进行灌注，在模板保护下的介观结构稳定同时可以得到较高结晶度，但费时费力成本高；另一部分软模板法的尝试往往介孔骨架在热处理中易坍塌且结晶度有限。鉴于此，我们提出一种介孔三氧化二铁单晶及其水热制备方法。
发明内容
本发明的目的是针对背景技术中存在的现有手段中纳米三氧化二铁的活性受限于传质与活性位点数量，制备单晶材料费时费力、成本高等的问题，提出一种介孔三氧化二铁单晶及其水热制备方法。
本发明的技术方案：一种介孔三氧化二铁单晶，所述介孔三氧化二铁单晶为梭型形貌，颗粒长宽尺寸分别为160-500nm、90-270nm；
所述介孔三氧化二铁单晶的比表面积为20-50m2/g，孔容为0.10-0.30cm3/g；其中介孔为球形孔，孔径分布为5-10nm。
本发明的技术方案：一种介孔三氧化二铁单晶的水热制备方法，包括以下组成原料：表面活性剂、铁源、去离子水、酸碱性调节溶液等其他所需使用的处理调节剂；
水热制备方法包括以下制备步骤：
步骤一：首先将表面活性剂、铁源加入聚四氟乙烯内衬中，然后加入去离子水通过搅拌得到澄清溶液，取对苯二甲酸作为桥联分子加入澄清溶液；
步骤二：将步骤一种获得的物质充分缓和后放入水热釜内，在100-160℃温度下反应10-60h；并经由降温、离心分离、水/乙醇清洗后得到表面活性剂-α-三氧化二铁单晶复合物，并将复合物烘干；
步骤三：将步骤二中获得的表面活性剂-α-三氧化二铁单晶复合物在空气氛围中煅烧，获得介孔三氧化二铁单晶材料。
优选的，所述表面活性剂为商业化嵌段共聚物，具体为：非离子聚环氧乙烷-聚环氧丙烷、聚环氧乙烷-聚环氧丁烷二嵌段、三嵌段共聚物中的任意一种或其两种、两种以上组合物。
优选的，所述步骤一中表面活性剂的浓度为4-27mg/mL；铁源的浓度为0.01-0.10mol/mL。
优选的，所述步骤一中对苯二甲酸与去离子水的质量比为0.001:1-0.15:1。
优选的，所述步骤三中煅烧温度为300-600℃，升温速率为1-10℃/min，焙烧时间为1-5h。
优选的，所述铁源为三氯化铁、硝酸铁、硫酸铁、醋酸铁、乙酰丙酮铁中的任意一种或几种。
优选的，所述酸碱性调节溶液为调控颗粒尺寸所用容积，具体为盐酸、醋酸、高氯酸和氢氧化钠、次氯酸钠、次氯酸钾中的一种或几种。
与现有技术相比，本发明具有如下有益的技术效果：
本发明利用铁盐作为铁源，加入对苯二甲酸作为桥联分子，水热条件下，表面活性剂和三价铁离子在微溶对苯二甲酸的牵引下实现共组装和同步结晶，一步反应结束后分离、空气气氛下煅烧即可得到介孔三氧化二铁材料，其中铁作为世界上含量第四大元素、第二大金属元素其原料易于获得，因此制备的成本低；可等比例放大，在能源、热催化、光(电)催化、催化剂载体等众多领域具有广泛的应用前景。
附图说明
图1是实施例一中介孔三氧化二铁单晶的扫描电子显微镜(SEM)图谱；
图2是实施例一中介孔三氧化二铁的扫描透射电子显微镜(STEM)图谱；
图3是实施例一中介孔三氧化二铁的选区电子衍射(SAED)图谱；
图4是实施例一中介孔三氧化二铁的高分辨透射电子显微镜(HR-TEM)图谱；
图5是实施例一中介孔三氧化二铁煅烧前后的X射线电子衍射(XRD)图谱；
图6是实施例一中介孔三氧化二铁的的特征氮气吸附–脱附等温线；
图7是实施例一中介孔三氧化二铁的的特征孔径分布图；
图8是实施例二中介孔三氧化二铁的扫描电子显微镜(SEM)图；
图9是实施例二中介孔三氧化二铁的的特征氮气吸附-脱附等温线；
图10是实施例三中介孔三氧化二铁的扫描电子显微镜(SEM)图。
具体实施方式
下文结合附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。
实施例一
如图1-7所示，本发明提出的一种介孔三氧化二铁单晶的水热制备方法，包括以下处理步骤：将0.150g三嵌段共聚物F127、0.065gFeCl3、12mL去离子水、0-100μL浓盐酸加入聚四氟乙烯内衬中，室温条件下搅拌至澄清，再加入0.030g对苯二甲酸继续搅拌2h。
随后转移至反应釜密封后在120℃温度下水热24h。
反应结束冷却后得到红色溶液。
经离心、洗涤、干燥后将红色粉末在空气氛围中以2℃/min的升温速率升至350℃并保持2h，即得到介孔三氧化二铁单晶材料。
本实施例中，SEM、TEM图片证明所得为浓盐酸添加量为24μL时的介孔三氧化二铁单晶材料长宽分别约为350nm、160nm；
SEM图片见图1；
STEM、SAED、HR-TEM图片见图2-图4；
氮气吸附-脱附曲线图片见图6、图7；
证明该材料的比表面积为24m2/g，孔容为0.10cm3/g；孔径分布曲线证明孔径约为6nm。
实施例二
如图8、图9所示，本发明提出的一种介孔三氧化二铁单晶的水热制备方法，具体包括以下制备步骤：将0.150g三嵌段共聚物F127、0.065gFeCl3、12mL去离子水、0-500μL次氯酸钠溶液(10％)加入聚四氟乙烯内衬中，室温条件下搅拌至澄清，再加入0.030g对苯二甲酸继续搅拌2h。随后转移至反应釜密封后在120℃温度下水热24h。反应结束冷却后得到红色溶液。经离心、洗涤、干燥后将红色粉末在空气氛围中以2℃/min的升温速率升至350℃并保持2h，即得到介孔三氧化二铁单晶材料。
本实施例中SEM、TEM图片证明所得为次氯酸钠添加量为310μL时的介孔三氧化二铁单晶材料长宽分别约为160nm、90nm；
SEM图片见图8；
氮气吸附-脱附曲线见图9，证明该材料的比表面积为48m2/g，孔容为0.25cm3/g；孔径分布曲线证明孔径约为6nm。
实施例三
如图10所示，本发明提出的一种介孔三氧化二铁单晶的水热制备方法，具体包括以下制备步骤：将0.150g三嵌段共聚物F127、0.065gFeCl3、12mL去离子水、0-2mL高氯酸溶液(1.0M)加入聚四氟乙烯内衬中，室温条件下搅拌至澄清，再加入0.030g对苯二甲酸继续搅拌2h。随后转移至反应釜密封后在120℃温度下水热24h。反应结束冷却后得到红色溶液。经离心、洗涤、干燥后将红色粉末在空气氛围中以2℃/min的升温速率升至350℃并保持2h，即得到介孔三氧化二铁单晶材料。
本实施例中，SEM、TEM图片证明所得为高氯酸溶液添加量为1mL时的介孔三氧化二铁单晶材料长宽分别约为180nm、90nm；
SEM图片见图10。
实施例四
本发明提出的一种介孔三氧化二铁单晶的水热制备方法，具体包括以下制备步骤：将0.150g三嵌段共聚物F127、0.065gFeCl3、12mL去离子水、0-500μL冰醋酸加入聚四氟乙烯内衬中，室温条件下搅拌至澄清，再加入0.030g对苯二甲酸继续搅拌2h。随后转移至反应釜密封后在120℃温度下水热24h。反应结束冷却后得到红色溶液。经离心、洗涤、干燥后将红色粉末在空气氛围中以2℃/min的升温速率升至350℃并保持2h，即得到介孔三氧化二铁单晶材料。
对本方案制备的介孔三氧化二铁的性能表征进行测试，具体测试方法为：
将100mg介孔三氧化二铁单晶粉末压片、过筛得到40-60目的颗粒，并与400mg石英砂混合加入不锈钢固定床反应器中。
反应前，催化剂首先在纯氢气氛围、常压、250℃下还原4h，空速为6000mL·g-1·h-1。
随后，合成气(H2/CO＝2，其中含5％氮气作为内标)通入并在待测温度下稳定24h并利用气相色谱分析产物。
一台气相色谱同时配备热导检测器(TCD)和火焰离子监测器(FID)，分别与Porapak Q填充柱和RB-PLOT Al2O3毛细柱相连；另一台气相色谱配备RB-5毛细柱和FID。
获得如下数据表：
上述具体实施例仅仅是本发明的几种优选的实施例，基于本发明的技术方案和上述实施例的相关启示，本领域技术人员可以对上述具体实施例做出多种替代性的改进和组合。

Claims (5)

1.一种介孔三氧化二铁单晶，其特征在于，所述介孔三氧化二铁单晶为梭型形貌，颗粒长宽尺寸分别为160-500nm、90-270nm；
所述介孔三氧化二铁单晶的比表面积为20-50m2/g，孔容为0.10-0.30cm3/g；其中介孔为球形孔，孔径分布为5-10nm。
2.一种根据权利要求1所述的介孔三氧化二铁单晶的水热制备方法，其特征在于，包括以下组成原料：表面活性剂、铁源、去离子水、酸碱性调节溶液等其他所需使用的处理调节剂；
水热制备方法包括以下制备步骤：
步骤一：首先将表面活性剂4-27mg/ML、铁源0.01-0.10mol/ML加入聚四氟乙烯内衬中，然后加入去离子水通过搅拌得到澄清溶液，取对苯二甲酸作为桥联分子加入澄清溶液，其中对苯二甲酸与去离子水的质量比为0.001:1-0.15:1；
步骤二：将步骤一种获得的物质充分缓和后放入水热釜内，在100-160℃温度下反应10-60h；并经由降温、离心分离、水/乙醇清洗后得到表面活性剂-α-三氧化二铁单晶复合物，并将复合物烘干；
步骤三：将步骤二中获得的表面活性剂-α-三氧化二铁单晶复合物在空气氛围中煅烧，获得介孔三氧化二铁单晶材料。
所述表面活性剂为商业化嵌段共聚物，具体为：非离子聚环氧乙烷-聚环氧丙烷、聚环氧乙烷-聚环氧丁烷二嵌段、三嵌段共聚物中的任意一种或其两种、两种以上组合物。
3.根据权利要求2所述的一种介孔三氧化二铁单晶的水热制备方法，其特征在于，所述步骤三中煅烧温度为300-600℃，升温速率为1-10℃/min，焙烧时间为1-5h。
4.根据权利要求2所述的一种介孔三氧化二铁单晶的水热制备方法，其特征在于，所述铁源为三氯化铁、硝酸铁、硫酸铁、醋酸铁、乙酰丙酮铁中的任意一种或几种。
5.根据权利要求2所述的一种介孔三氧化二铁单晶的水热制备方法，其特征在于，所述酸碱性调节溶液为调控颗粒尺寸所用容积，具体为盐酸、醋酸、高氯酸和氢氧化钠、次氯酸钠、次氯酸钾中的一种或几种。
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