專利名稱：紡錘狀α-Fe₂O₃納米粉體的制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種紡錘狀a-Fe203納米粉體的制備方法，屬于無機非金屬材料 領域。
背景技術：
納米材料與其相對應的塊體材料相比，往往呈現(xiàn)出更加優(yōu)異的物理、化學 特性。近幾年關于納米材料的研究證明，納米粉體材料的性能不僅受其納米尺 寸的影響，其顆粒形貌往往也起著決定性的影響。納米氧化鐵材料不僅具有更 加優(yōu)異的磁性和催化性能，而且具有良好的透明度和對紫外線的吸收和屏蔽作 用，所以作為催化劑、磁介質(zhì)、顏料，在氣體脫硫、廢水處理，以及磁存儲器、 油墨、塑料、皮革、汽車面漆和生物醫(yī)學工程等方面被廣泛應用。其中，納米 cx-Fe203作為催化劑，極大地促進了高分子聚合物的氧化或裂解。利用納米 a-Fe203作為燃燒催化劑，可使火箭固體推進劑的燃燒速度提高1 10倍，作為裂 解催化劑，可使石油的裂解速度提高1 5倍。
不同顆粒形貌a-Fe203納米粉體表現(xiàn)出不同的磁性能、光性能和催化性能。 這促進了對合成具有一定規(guī)則刻面的a-Fe203納米粉體的技術和方法上的探求。 固相反應法、沉淀法、熔膠凝膠法、水解法和水熱合成法是氧化鐵常用的制備 方法。其中前三種方法均需經(jīng)過較高溫度的煅燒，所合成的粉體團聚嚴重，且 顆粒不具有規(guī)則的形貌。后兩種方法，水解法和水熱法是在溶液中完成氧化鐵 合成的，可以實現(xiàn)氧化鐵顆粒形貌的控制合成。球狀、立方體狀、紡錘狀、橢 球型和枝杈型顆粒是a-Fe203納米粉體常見的顆粒形貌。為了利用水解或水熱反 應獲的紡錘狀、橢球狀等a-Fe203納米粉體，往往需要在反應溶液中加入 NaH2P04等晶型控制劑或高分子表面修飾劑。但所制備的00^6203納米粉體的紡 綞狀、橢球狀顆粒大小不均。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種工藝簡單，易于控制的紡錘狀a-Fe203納米粉體 的制備方法。
本發(fā)明制備的紡錘狀a-Fe203納米粉體，其晶格結構屬于三角晶系。 制備方法包括以下步驟
l)將乙二醇和去離子水按體積比22:18 14:26混合，配制乙二醇和水的混合溶劑；2) 將硝酸鐵溶解于乙二醇和水的混合溶劑中，配制濃度為0.1~0.5mol/L的硝 酸鐵溶液；3) 按硝酸鐵和氫氧化鉀的摩爾比為1:3，計量稱取氫氧化鉀，將氫氧化鉀溶 于乙二醇和水的混合溶劑中，配制濃度為0.3 1.5mol/L的氫氧化鉀溶液；4) 攪拌的狀態(tài)下，將氫氧化鉀溶液滴加到硝酸鐵溶液中，形成懸浮有鐵羥基 氧化物顆粒的懸浮液，將懸浮液轉(zhuǎn)移到反應釜中，用乙二醇和水的混合溶劑調(diào) 節(jié)使其體積占反應釜容積的2/3~4/5，使F^+離子和KOH的摩爾體積分數(shù)為 0.15 0.75mol/L，繼續(xù)攪拌至少5分鐘；5) 將配置有反應物料的反應釜密閉，在160 240°C下保溫4 36小時進行-yt Ak工m 脅e ir夂2s:^ 、、/曰 TTn山g irtt古；M7t 」丄、,tfo /士、/h m + T^r 7-丄 工丄7蹄 ^冗枉，'/A乂口 ， r牛土王恤，艱山乂乂A^u "f刃，Aii/芯，TPU人/lj:z 向丁/jv、 乂Li/iv。日子清洗，60T 100。C溫度下烘干，得到紡錘狀0t-Fe2O3納米粉體。本發(fā)明中，所用的硝酸鐵，氫氧化鉀，乙二醇和無水乙醇的純度均不低于 化學純。采用本發(fā)明方法所制備的a-Fe203顆粒為紡錘狀，其顆粒長度不小于200納 米，最大直徑不小于100納米，長徑比約為2:1。本發(fā)明以硝酸鐵為反應物料，氫氧化鉀為礦化劑，乙二醇和水的混合溶劑 為反應溶劑，通過調(diào)節(jié)混合溶劑中乙二醇和水的體積比，反應溫度與保溫時間， 調(diào)控熱處理過程中a-Fe203納米晶的晶化和生長，實現(xiàn)紡錘狀a-Fe203納米粉體的 水/溶劑熱合成。本發(fā)明對水/溶劑熱合成產(chǎn)物的清洗是為了將反應物料引入的硝 酸根離子和礦化劑KOH與合成的a-Fe203納米粉體充分分離，得到純相的ot-Fe203 納米粉體。采用無水乙醇脫水和不高于100。C的烘干，是為了得到分散性良好的 a-Fe203納米粉體。本發(fā)明工藝過程簡單，易于控制，無環(huán)境污染，成本低，易于規(guī)?；a(chǎn)。 制得的紡錘狀a-Fe2O3顆粒長度不小于200納米，最大直徑不小于100納米，長徑 比約為2:1。產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，純度高，粉體顆粒分散性好，具有優(yōu)良的催化性能。


圖l本發(fā)明合成的紡錘狀a-Fe203納米粉體的X射線衍射(XRD)圖譜； 圖2本發(fā)明合成的紡錘狀a-Fe203納米粉體的掃描電子顯微鏡(SEM)照片； 圖3純高氯酸銨和混合有本發(fā)明合成的紡錘狀a-Fe203納米粉體的高氯酸銨熱分解差熱分析(DTA)曲線。
具體實施方式
以下結合實施例進一步說明本發(fā)明。 實施例l水/溶劑熱合成紡錘狀0t-Fe2O3納米粉體，顆粒長度為400納米，最大直徑為 200納米。按以下工藝步驟合成紡錘狀a-Fe203納米粉體。1) 按體積比為20:20分別計量量取乙二醇和去離子水，將二者攪拌混合30 分鐘，得到乙二醇和水體積比為20:20的混合溶劑。2) 稱取0.005mol (2.05g)硝酸鐵(Fe(N03)r9H20)將其溶解于20ml的前面配 制的乙二醇和水的混合溶劑中，并調(diào)節(jié)所形成的硝酸鐵液濃度為0.25mol/L(摩 爾每升)。3) 按硝酸鐵和氫氧化鉀的摩爾比為1:3，計量稱取氫氧化鉀(KOH)，即稱取 0.015mol (L03g) KOH，將其溶于20ml前面配制的乙二醇和水的混合溶劑中， 調(diào)節(jié)所形成的氫氧化鉀溶液濃度為0.75mol/L。4) 攪拌的狀態(tài)下，將氫氧化鉀溶液滴加到硝酸鐵溶液中，形成懸浮有鐵羥基 氧化物顆粒的懸浮液前驅(qū)體。將其轉(zhuǎn)移到有效容積為50ml的反應釜中，用混合 溶劑調(diào)節(jié)使其體積占反應釜容積的4/5。這時Fe3+離子和KOH的摩爾體積分數(shù) 為0.375mol/L，繼續(xù)攪拌30分鐘。5) 將配置有反應物料的反應釜密閉，置于電爐中，在200°C下保溫16小時 進行熱處理。然后，從電爐中取出，在空氣中自然降至室溫，取出反應產(chǎn)物， 過濾，依次用去離子水、無水乙醇清洗，80°C溫度下烘干，得到紡錘狀顆粒的 a-Fe203納米粉體。所合成的紡錘狀a-Fe203納米粉體的X射線衍射(XRD)圖譜示于圖1;其 掃描電子顯微鏡(SEM)照片示于圖2?？梢钥闯龊铣傻腶-Fe203納米粉體，為 大小、形貌均勻的紡錘狀顆粒，長度約為400納米，最大直徑約為200納米， 長徑比為2:1。將所合成的紡錘狀a-Fe2O3納米粉體與高氯酸銨按質(zhì)量比l:50混合，測量高 鋁酸銨的熱分解差熱曲線，觀察高氯酸銨高溫分解溫度的變化，表征紡錘狀 oc-Fe203納米粉體的催化性能。發(fā)現(xiàn)由于紡錘狀a-Fe203納米粉體的催化作用，使 得高氯酸銨高溫分解溫度的高溫分解溫度由463.4oC降低到419.9oC，降低了 43.5oC，催化作用顯著。圖3是純高氯酸銨和混合有紡錘狀oc-Fe203納米粉體的 高氯酸銨的熱分解差熱分析(DTA)曲線。 實施例2水/溶劑熱合成紡錘狀ct-Fe203納米粉體，紡錘顆粒長度為200納米，最大直 徑為100納米，長徑比為2:1。具體的工藝步驟與實例l相同，區(qū)別在于步驟l)中配制的混合溶劑中乙二 醇和水的體積比為22:18;步驟2)中稱取0.001875mol硝酸鐵，而配制的硝酸鐵 溶液濃度為0.1mol/L，相應地步驟3)中稱取0.005625mol氫氧化鉀，而配制的氫 氧化鉀溶液濃度為0.3mol/L;步驟4)中最終反應釜中反應前驅(qū)體懸浮液占反應 釜容積的3/4，懸浮液中Fe"離子和KOH的摩爾體積分數(shù)為0.15mol/L。然后攪 拌5分鐘。步驟5)中，熱處理溫度為16(fC，保溫36小時。所合成的a-Fe203納米 粉體，為大小、形貌均勻的紡錘狀顆粒， 實施例3水/溶劑熱合成六方盤狀顆粒的a-Fe203納米粉體，其顆粒長度為500納米， 最大直徑為250納米，長徑比為2:1，。具體的工藝步驟與實例l相同，區(qū)別在于步驟l)中配制的混合溶劑中乙二 醇和水的體積比為14:26;步驟2)中稱取0.00833mol硝酸鐵，而配制的硝酸鐵溶 液濃度為0.5mol/L，相應地步驟3)中稱取0.025mol氫氧化鉀，而配制的氫氧化 鉀溶液濃度為1.5mol/L;步驟4)中最終反應釜中反應前驅(qū)體懸浮液占反應釜容 積的2/3，懸浮液中Fe3+離子和KOH的摩爾體積分數(shù)為0.75mol/L。然后攪拌60 分鐘。步驟5)中，熱處理溫度為240。C。所合成的a-Fe203納米粉體，為大小、形 貌均勻的紡錘狀顆粒。
權利要求
1.紡錘狀α-Fe2O3納米粉體的制備方法，其特征是包括以下步驟1)將乙二醇和去離子水按體積比22∶18～14∶26混合，配制乙二醇和水的混合溶劑；2)將硝酸鐵溶解于乙二醇和水的混合溶劑中，配制濃度為0.1～0.5mol/L的硝酸鐵溶液；3)按硝酸鐵和氫氧化鉀的摩爾比為1∶3，計量稱取氫氧化鉀，將氫氧化鉀溶于乙二醇和水的混合溶劑中，配制濃度為0.3～1.5mol/L的氫氧化鉀溶液；4)攪拌的狀態(tài)下，將氫氧化鉀溶液滴加到硝酸鐵溶液中，形成懸浮有鐵羥基氧化物顆粒的懸浮液，將懸浮液轉(zhuǎn)移到反應釜中，用乙二醇和水的混合溶劑調(diào)節(jié)使其體積占反應釜容積的2/3～4/5，使Fe3+離子和KOH的摩爾體積分數(shù)為0.15～0.75mol/L，繼續(xù)攪拌至少5分鐘；5)將配置有反應物料的反應釜密閉，在160～240℃下保溫4～36小時進行熱處理，然后，降至室溫，取出反應產(chǎn)物，過濾，依次用去離子水、無水乙醇清洗，60℃～100℃溫度下烘干，得到紡錘狀α-Fe2O3納米粉體。
2. 根據(jù)權利要求l所述紡錘狀a-Fe203納米粉體的制備方法，其特征是所用的 硝酸鐵，氫氧化鉀，乙二醇和無水乙醇的純度均不低于化學純。
全文摘要
本發(fā)明涉及紡錘狀α-Fe₂O₃納米粉體的制備方法，采用的是水/溶劑熱合成法，將原始反應物料硝酸鐵和礦化劑氫氧化鉀分別溶于乙二醇和水構成的混合溶劑中，然后將氫氧化鉀溶液滴加到硝酸鐵的溶液中，獲得用于水/溶劑熱反應的懸浮液前驅(qū)體，將其密閉于反應釜中，于160～240℃下熱處理4～36小時，得到紡錘狀的α-Fe₂O₃納米粉體，其顆粒長度不小于200納米，最大直徑不小于100納米。本發(fā)明產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，純度高，顆粒分散性好，具有優(yōu)良的催化性能；制備工藝過程簡單，易于控制，無污染，成本低，易于規(guī)?；a(chǎn)。
文檔編號C01G49/02GK101293674SQ20081006248
公開日2008年10月29日 申請日期2008年6月12日 優(yōu)先權日2008年6月12日
發(fā)明者任召輝, 怡 張, 張溪文, 剛 徐, 杜丕一, 鴿 沈, 逵 程, 翁文劍, 趙高凌, 韓高榮 申請人:浙江大學