本發(fā)明屬于無(wú)機(jī)非金屬材料領(lǐng)域，具體涉及一種羥基氧化鐵薄膜的制備方法。

背景技術(shù)：

羥基氧化鐵FeOOH，也叫做氧化氫氧化鐵(包括α、β、γ、δ型)，是一種較好的吸附劑、光催化劑、顏料、磁記錄介質(zhì)、磁性涂料、離子交換器材料，廣泛應(yīng)用于污水處理等領(lǐng)域。其涂層或薄膜的制備一直是人們研究的熱點(diǎn)。

目前，制備氧化鐵薄膜的方法包括離子濺射法、化學(xué)氣相沉積法、溶膠-凝膠法和水熱法。其中，離子濺射法、化學(xué)氣相沉積法成本較高；溶膠-凝膠法依賴于前驅(qū)體的配制；水熱法可在不銹鋼、玻璃或陶瓷表面進(jìn)行氧化物沉積，但時(shí)間長(zhǎng)達(dá)數(shù)小時(shí)，且不能在普通碳鋼或低合金鋼表面進(jìn)行沉積，因其試劑會(huì)對(duì)碳鋼或低合金鋼造成腐蝕。另外，氧化鐵薄膜的上述現(xiàn)有制備方法均存在以下技術(shù)問(wèn)題：難以獲得均勻附著于鋼鐵件、結(jié)合牢固、晶相結(jié)構(gòu)均一的薄膜。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種羥基氧化鐵薄膜的綠色、快速制備方法；且所制備的羥基氧化鐵薄膜晶相結(jié)構(gòu)均一、均勻附著于基體、與基體結(jié)合牢固。

本發(fā)明利用簡(jiǎn)單的化學(xué)試劑，不需要借助于超聲霧化或電化學(xué)，利用超聲沉積法制備γ-FeOOH薄膜。

技術(shù)方案

一種羥基氧化鐵薄膜的制備方法，將基體置于試劑中，對(duì)試劑進(jìn)行超聲處理；

所述試劑為FeCl₃或/和Fe₂(SO₄)₃與尿素的水溶液，其中，鐵離子的濃度為1×10^-3-0.2mol/L，尿素的濃度為1×10^-3-0.3mol/L。

原理說(shuō)明：

尿素溶于水后發(fā)生水解反應(yīng)，其水解反應(yīng)的產(chǎn)物為NH₃?H₂O和CO₂，并存在以下可逆反應(yīng)：

NH₃?H₂O?NH₄⁺+OH^￣

溶液中的Fe³⁺與OH￣在超聲波能量的促進(jìn)下，在基體表面生成FeOOH：

Fe³⁺+3OH^￣→Fe(OH)₃

Fe(OH)₃→FeOOH+H₂O。

本發(fā)明的制備方法是直接在基體表面反應(yīng)生成FeOOH薄膜，無(wú)須加入酸或堿調(diào)節(jié)溶液的PH值，所生成的FeOOH均為γ-FeOOH，晶相結(jié)構(gòu)均一無(wú)摻雜；FeOOH薄膜與基體表面結(jié)合牢固；FeOOH薄膜厚度均勻。實(shí)驗(yàn)證明，如果不進(jìn)行上述超聲處理，使用上述溶液，在加熱條件下，經(jīng)過(guò)數(shù)小時(shí)以上也可在逐漸惰性材料表面進(jìn)行氧化鐵沉積，不僅時(shí)間長(zhǎng)，且對(duì)于在溶液中會(huì)發(fā)生腐蝕的材料如碳鋼、低合金鋼等金屬表面無(wú)法獲得膜層；且獲得的氧化膜晶型隨溶液溫度、溶液PH值變化，或形成混合晶型的氧化鐵。由此可見，上述超聲處理在本發(fā)明中起到了至關(guān)重要的作用。其可能的原因：超聲波在液體中可產(chǎn)生超聲空化，加速界面間的傳質(zhì)和傳熱過(guò)程。空化泡周圍可產(chǎn)生極高的溫度和高壓，及強(qiáng)烈沖擊波和射流，這些作用在一定程度上改變了物理化學(xué)反應(yīng)的環(huán)境，提高反應(yīng)速度，促進(jìn)γ-FeOOH晶核的形成和生長(zhǎng)。另外，本發(fā)明的制備方法，鐵離子只能由FeCl₃或/和Fe₂(SO₄)₃提供，否則可能無(wú)法制備出γ-FeOOH薄膜；雖然目前原因還不清楚，但是說(shuō)明鐵離子的來(lái)源，也是能獲得γ-FeOOH薄膜的重要條件，不嫩隨意替換。

本發(fā)明的制備方法，制備FeOOH薄膜所需要的時(shí)間短，僅需要20s-5min即可獲得厚度為0.5-5μm的薄膜。

上述制備方法，優(yōu)選的，鐵離子的濃度為0.05-0.1mol/L，尿素的濃度為0.1-0.15mol/L。

上述制備方法，溫度高時(shí)沉積速度略快，但溫度對(duì)氧化物的相結(jié)構(gòu)無(wú)顯著影響；試劑溫度優(yōu)選為20-95℃。

上述制備方法，溶液濃度過(guò)低時(shí)，沉積的氧化膜厚度?。粷舛冗^(guò)高時(shí)，沉積速度過(guò)快，沉積層表面粗糙，且可能在溶液中形成沉淀。尿素與鐵離子的摩爾濃度比在1-3倍之間為宜。

上述制備方法，超聲波頻率對(duì)所制備的產(chǎn)品無(wú)明顯影響。

上述制備方法，所述基體可以為不銹鋼、陶瓷、玻璃和普通結(jié)構(gòu)鋼；為了進(jìn)一步使所生成的γ-FeOOH與基體之間結(jié)合的更加牢固，優(yōu)選的，在“將基體置于試劑中”之前，對(duì)試樣或工件進(jìn)行表面預(yù)處理；一般地，鋼鐵件的表面預(yù)處理包括除油、除銹等清潔過(guò)程；對(duì)于已經(jīng)預(yù)處理的工件，可以清洗后涼干，也可直接進(jìn)行薄膜的沉積。

上述制備方法，所用設(shè)備可以是超聲波發(fā)生器；此時(shí)，操作步驟為，將試劑及基體放入超聲波發(fā)生器的超聲波發(fā)生槽內(nèi)，打開超聲波發(fā)生器，沉積結(jié)束后，將基體取出即可；對(duì)小工件或試樣進(jìn)行沉積時(shí)，也可將基體懸掛放入潔凈的玻璃或塑料容器中，再將容器放入超聲波發(fā)生槽內(nèi)進(jìn)行沉積。將基體取出后用清水沖洗，然后涼干、吹干或烘干；吹干或烘干時(shí)不得超過(guò)FeOOH的分解溫度。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

1、速度快，只需要幾十秒到數(shù)分鐘時(shí)間，即可得到所需的氧化膜；

2、適用性廣，可在不銹鋼、陶瓷、玻璃和普通結(jié)構(gòu)鋼上進(jìn)行沉積，由于所需時(shí)間短，即使對(duì)于碳鋼，也不會(huì)造成明顯腐蝕，并能獲得滿意的膜層；

3、綠色環(huán)保，利用現(xiàn)有的技術(shù)，使用常見的化學(xué)藥品配制普通的化學(xué)試劑，即可得到FeOOH膜層；

4、所獲得的FeOOH薄膜的成分為單一γ-FeOOH，晶相結(jié)構(gòu)均一、無(wú)摻雜；

5、所獲得的FeOOH薄膜與基體之間結(jié)合牢固，即使采用超聲波清洗，也不會(huì)使薄膜脫落；

6、所獲得的FeOOH薄膜厚度均勻。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的制備方法制備的FeOOH薄膜厚的XRD圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本申請(qǐng)所述的技術(shù)方案作進(jìn)一步地描述說(shuō)明。

實(shí)施例1

配制Fe₂(SO₄)₃-尿素溶液作為試劑，其中，F(xiàn)e₂(SO₄)₃的濃度為0.025mol/L、尿素的濃度為0.1mol/L；采用低碳鋼作為基體。將試劑和低碳鋼置于超聲波發(fā)生器（額定功率為500W）的超聲發(fā)生槽中，將試劑的溫度升至60℃，將超聲波發(fā)生器調(diào)整至額定功率的70%，打開超聲波發(fā)生器超聲沉淀1.5min，關(guān)閉超聲波發(fā)生器，將基體取出；獲得附著于基體、厚度均勻、厚度為1.5μm的薄膜。對(duì)附有薄膜的基體用去離子水進(jìn)行超聲清洗1分鐘，薄膜無(wú)脫落。對(duì)獲得的薄膜自然涼干后進(jìn)行X射線衍射（XRD）分析，成分為γ-FeOOH。

實(shí)施例2

配制Fe₂(SO₄)₃-尿素溶液作為試劑，其中，F(xiàn)e₂(SO₄)₃的濃度為0.05mol/L、尿素的濃度為0.15mol/L；采用低碳鋼作為基體。將試劑和低碳鋼置于超聲波發(fā)生器（額定功率為500W）的超聲發(fā)生槽中，將試劑的溫度升至50℃，將超聲波發(fā)生器調(diào)整至額定功率的80%，打開超聲波發(fā)生器超聲沉淀3min，關(guān)閉超聲波發(fā)生器，將基體取出；獲得附著于基體、厚度均勻、厚度為2.5μm的薄膜。對(duì)附有薄膜的基體用去離子水進(jìn)行超聲清洗1分鐘，薄膜無(wú)脫落。對(duì)獲得的薄膜自然涼干后進(jìn)行X射線衍射（XRD）分析，成分為γ-FeOOH。

實(shí)施例3

配制FeCl₃-尿素溶液作為試劑，其中，F(xiàn)eCl₃的濃度為0.05mol/L、尿素的濃度為0.1mol/L；采用低碳鋼作為基體。將試劑和低碳鋼置于超聲波發(fā)生器（額定功率為500W）的超聲發(fā)生槽中，試劑溫度為25℃，將超聲波發(fā)生器調(diào)整至額定功率的60%，打開超聲波發(fā)生器超聲沉淀2min，關(guān)閉超聲波發(fā)生器，將基體取出；獲得附著于基體、厚度均勻、厚度為1.8μm的薄膜。對(duì)附有薄膜的基體用去離子水進(jìn)行超聲清洗1分鐘，薄膜無(wú)脫落。對(duì)獲得的薄膜自然涼干后進(jìn)行X射線衍射（XRD）分析，成分為γ-FeOOH。

實(shí)施例4

配制Fe₂(SO₄)₃-尿素溶液作為試劑，其中，F(xiàn)e₂(SO₄)₃的濃度為0.025mol/L、尿素的濃度為0.1mol/L；采用低碳鋼作為基體。將試劑和低碳鋼置于超聲波發(fā)生器（額定功率為500W）的超聲發(fā)生槽中，將試劑的溫度升至60℃，將超聲波發(fā)生器調(diào)整至額定功率的20%，打開超聲波發(fā)生器超聲沉淀1.5min，關(guān)閉超聲波發(fā)生器，將基體取出；獲得附著于基體、厚度均勻、厚度為1.2μm的薄膜。對(duì)附有薄膜的基體用去離子水進(jìn)行超聲清洗1分鐘，薄膜無(wú)脫落。對(duì)獲得的薄膜自然涼干后進(jìn)行X射線衍射（XRD）分析，成分為γ-FeOOH。

實(shí)施例5

配制Fe₂(SO₄)₃-尿素溶液作為試劑，其中，F(xiàn)e₂(SO₄)₃的濃度為0.025mol/L、尿素的濃度為0.1mol/L；采用低碳鋼作為基體。將試劑和低碳鋼置于超聲波發(fā)生器（額定功率為500W）的超聲發(fā)生槽中，將試劑的溫度升至60℃，將超聲波發(fā)生器調(diào)整至額定功率的90%，打開超聲波發(fā)生器超聲沉淀1.5min，關(guān)閉超聲波發(fā)生器，將基體取出；獲得附著于基體、厚度均勻、厚度為1.6μm的薄膜。對(duì)附有薄膜的基體用去離子水進(jìn)行超聲清洗1分鐘，薄膜無(wú)脫落。對(duì)獲得的薄膜自然涼干后進(jìn)行X射線衍射（XRD）分析，成分為γ-FeOOH。

實(shí)施例6

配制Fe₂(SO₄)₃-尿素溶液作為試劑，其中，F(xiàn)e₂(SO₄)₃的濃度為0.025mol/L、尿素的濃度為0.1mol/L；采用低碳鋼作為基體。將試劑和低碳鋼置于超聲波發(fā)生器（額定功率為500W）的超聲發(fā)生槽中，將試劑的溫度升至90℃，將超聲波發(fā)生器調(diào)整至定功率的70％，打開超聲波發(fā)生器超聲沉淀1.5min，關(guān)閉超聲波發(fā)生器，將基體取出將基體取出；獲得附著于基體、厚度均勻、厚度為1.6μm的薄膜。對(duì)附有薄膜的基體用去離子水進(jìn)行超聲清洗1分鐘，薄膜無(wú)脫落。對(duì)獲得的薄膜自然涼干后進(jìn)行X射線衍射（XRD）分析，成分為γ-FeOOH。

對(duì)比例1

配制Fe₂(SO₄)₃-尿素溶液作為試劑，其中，F(xiàn)e₂(SO₄)₃的濃度為0.025mol/L、尿素的濃度為0.1mol/L；采用低碳鋼作為基體。將低碳鋼置于試劑中，將試劑的溫度升至60℃，沉淀1.5min，將基體取出；用去離子水沖洗后，基體表面無(wú)涂層沉積，自然涼干后表面有輕微銹蝕痕跡，進(jìn)行X射線衍射（XRD）分析，未檢測(cè)到γ-FeOOH。

對(duì)比例2（與實(shí)施例1相比，用Fe(NO₃)₃代替硫酸鐵）

配制Fe(NO₃)₃-尿素溶液作為試劑，其中，F(xiàn)e(NO₃)₃的濃度為0.05mol/L、尿素的濃度為0.1mol/L；采用低碳鋼作為基體。將試劑和低碳鋼置于超聲波發(fā)生器（額定功率為500W）的超聲發(fā)生槽中，試劑溫度為60℃，將超聲波發(fā)生器調(diào)整至額定功率的70%，打開超聲波發(fā)生器超聲沉淀1.5min，關(guān)閉超聲波發(fā)生器，將基體取出；沒有獲得附著于基體的薄膜。