一種製備α-Fe₂O₃納米球的方法

2023-10-10 16:07:19

專利名稱：一種製備α-Fe2O3納米球的方法
技術領域：
本發明屬於化學工程技術，具體涉及一種製備a -Fe2O3納米球的方法。
背景技術：
汙水處理技術備受關注。隨著納米技術的發展，過渡金屬氫氧化物和氧化物納米材料用於環境監測和汙染物控制的研究屢見報導。納米材料的獨特性質源於其富價態、大比表面和可變的電子結構。近年來，由分層納米亞單元構成的三維納米結構材料因為其特殊結構，在清除水體中的重金屬離子和有機汙染物方面表現出了良好的吸附性質，具有廣泛的應用前景。因而控制形態合成出各種性能良好的三維納米結構材料的相關研究方興未艾。C1-Fe2O3是氧化鐵的熱力學最穩定相，被廣泛應用於催化劑、色素、氣體感應、能量存儲等領域。近來出現了很多製備三維納米結構的Q-Fe2O3作為吸附劑用於汙水處理的研究。然而大多數製備方法涉及高溫和長時間的化學反應，而且反應過程中往往用到有毒的有機溶劑或者導向劑作為模板，這些都限制了製得的三維納米結構的a -Fe2O3在水處理方面的實際應用。探索一種綠色無汙染、簡單易行的三維納米結構的Q-Fe2O3的合成方法，並能大規模製備，具有重要的現實意義。目前微波輔助水熱合成技術在化學領域已得到廣泛的應用。與傳統加熱方式相t匕，微波加熱速度快且加熱均勻，縮短了反應時間，節省了能源。本發明尋求用微波合成法，簡單快速地製備a -Fe2O3三維納米體。

發明內容
本發明針對上述問題，提供了一種製備a -Fe2O3納米球的方法。為實現上述目的本發明採用的技術方案為:一種製備α -Fe 203納米球的方法，I)以六水合三氯化鐵(FeCl3WH2O)為鐵源，尿素(CO(NH2)2)為氫氧根離子引發劑，將鐵源與引發劑利用超聲溶解於甘油和水組成的混合溶劑中，而後置於密閉條件下進行微波處理，在130-150°C進行微波處理20-50min ；其中，六水合三氯化鐵與尿素摩爾比為1:1-1.5，鐵源濃度為1.0-1.5mol/L，甘油和水體積比為1:2-9 ;2)將上述微波處理後產物自然冷卻後離心，所得沉澱採用乙醇和水進行交替洗滌，洗滌後乾燥，即得平均直徑300-500nm、整體結構由尺寸約20_50nm的棒狀納米亞單元構成的Ct-Fe2O3納米球。製備C1-Fe2O3納米球的方法，I)以六水合三氯化鐵(FeCl3.6H20)為鐵源，尿素(CO(NH2)2)為氫氧根離子引發劑，將鐵源與引發劑利用超聲溶解於甘油和水組成的混合溶劑中，而後置於聚四氟乙烯反應 釜內密封放置，再將反應釜聚四氟乙烯內膽轉移到微波反應器中在130-150°C進行微波處理25-30min ；
其中，六水合三氯化鐵與尿素摩爾比為1:1-1.5，鐵源濃度為1.0-1.5mol/L，甘油和水體積比為1:8-9 ;2)將上述微波處理後產物自然冷卻後10000轉/min離心30min，所得沉澱用乙醇和水交替洗滌，洗滌後於80°C乾燥5h，即得到平均直徑300-400nm的實心納米球，其整體結構由尺寸20-50nm的棒狀納米亞單元構成的a -Fe2O3納米球。製備Q-Fe2O3納米球的方法，I)以六水合三氯化鐵(FeCl3.6Η20)為鐵源，尿素(CO(NH2)2)為氫氧根離子引發劑，將鐵源與引發劑利用超聲溶解於甘油和水組成的混合溶劑中，而後置於聚四氟乙烯反應釜內密封放置，再將反應釜聚四氟乙烯內膽轉移到微波反應器中在140°C進行微波處理25-30min ；其中，六水合三氯化鐵與尿素摩爾比為1:1-1.5，鐵源濃度為1.0-1.5mol/L，甘油和水體積比為1:4-8 ;2)將上述微波處理後產物自然冷卻後10000轉/min離心30min，所得沉澱用乙醇和水交替洗滌，洗滌後於80°C乾燥5h，即得到平均直徑300-400nm的半實心納米球，其整體結構由尺寸20-50nm的棒狀納米亞單元構成的a -Fe2O3納米球。製備Q-Fe2O3納米球的方 法，I)以六水合三氯化鐵(FeCl3.6Η20)為鐵源，尿素(CO(NH2)2)為氫氧根離子引發劑，將鐵源與引發劑利用超聲溶解於甘油和水組成的混合溶劑中，而後置於聚四氟乙烯反應釜內密封放置，再將反應釜聚四氟乙烯內膽轉移到微波反應器中在140°C進行微波處理25-30min ；其中，六水合三氯化鐵與尿素摩爾比為1:1-1.5，鐵源濃度為1.0-1.5mol/L，甘油和水體積比為1:3-4 ;2)將上述微波處理後產物自然冷卻後10000轉/min離心30min，所得沉澱用乙醇和水交替洗滌，洗滌後於80°C乾燥5h，即得到平均直徑300-500nm的空心納米球，其整體結構由尺寸30-50nm的棒狀納米亞單元構成的a -Fe2O3納米球。本發明所具有的優點:1.本發明利用尿素的緩慢水解提供了反應中所需的持續低濃度的0Η—，與體系中的Fe3+結合後在反應體系中迅速轉變為a-Fe203。2.本發明合成過程中合適體積比的甘油/水混合溶劑可自聚形成規整的準微乳球不均相體系，作為a-Fe2O3晶粒沉積的軟模板。在洗滌乾燥過程中微乳球萃洗掉可得完整的空心納米球體。3.本發明利用廉價無毒的甘油/水為溶劑，避免了有毒有機試劑的使用，同時微波法相比傳統加熱法具有反應時間更短、節約能源、環保的特點。4.本發明製備所得納米球通過X射線衍射圖(XRD)，掃描電鏡(SEM)和透射電鏡(TEM)等表徵，表明不同比例甘油/水混合溶液水熱反應後得到的a -Fe2O3呈現出不同的球狀結構。本發明中的空心a-Fe2O3納米球對As (V)和Cr(VI)重金屬離子以及剛果紅有很好的吸附作用。


圖1為本發明實施例提供的a -Fe2O3納米球的X射線衍射圖(XRD)。圖2為本發明實施例提供的a -Fe2O3納米球的掃描電鏡(SEM)圖。
圖3為本發明實施例提供的a -Fe2O3實心納米球的透射電鏡(TEM)圖。圖4為本發明實施例提供的a -Fe2O3半實心納米球透射電鏡(TEM)圖。圖5為本發明實施例提供的a -Fe2O3空心納米球透射電鏡(TEM)圖。圖6為本發明應用例提供的a -Fe2O3空心納米球對重金屬離子的吸附效率圖。圖7為本發明應用例提供的a -Fe2O3空心納米球對不同初始濃度的重金屬離子的吸附平衡圖。圖8本發明應用例提供的a -Fe2O3空心納米球對剛果紅的吸附效率圖。
具體實施例方式a -Fe2O3 納米球:I)以六水合三氯化鐵(FeCl3WH2O)為鐵源，尿素(CO(NH2)2)為氫氧根離子引發劑，將鐵源與引發劑利用超聲溶解於甘油和水組成的混合溶劑中，而後置於密閉條件下進行微波處理，在130-150°C進行微波處理20-50min ；其中，六水合三氯化鐵與尿素摩爾比為1:1-1.5，鐵源濃度為1.0-1.5mol/L，甘油和水體積比為1:2-9 ;2)將上述微波處理後產物自然冷卻後離心，所得沉澱採用乙醇和水進行交替洗滌，洗滌後乾燥，即得平均直徑300-500nm、整體結構由尺寸約20_50nm的棒狀納米亞單元構成的Ct-Fe2O3納米球。 由上述圖1可知XRD譜圖在20-70°範圍的所有特徵峰位置和峰強與JCPDS譜圖庫中N0.33-0664所示a -Fe2O3很好地吻合，由圖2中可見納米球平均直徑約300_500nm，納米球整體結構由尺寸約20-50nm的棒狀納米亞單元構成。實施例1I)以六水合三氯化鐵(FeCl3.6H20)為鐵源，尿素(CO(NH2)2)為氫氧根離子引發齊U，二者摩爾比為1:1，將鐵源與引發劑利用超聲溶解於甘油和水組成的混合溶劑中。其中鐵源濃度為l.0mol/L，甘油和水體積比為1:9。將該混合溶液置於聚四氟乙烯反應釜密封，轉移到微波反應器，在150°C溫度下進行微波處理30min。2)將上述微波處理後產物自然冷卻後10000轉/min離心30min，所得沉澱用乙醇和水交替洗滌，洗滌後於80°C乾燥5h，即得到平均直徑300-350nm的實心納米球，其整體結構由尺寸20-50nm的棒狀納米亞單元構成,如圖3所示。由圖3清晰可見其實心結構並且平均直徑300_350nm。實施例2I)以六水合三氯化鐵(FeCl3.6H20)為鐵源，尿素(CO(NH2)2)為氫氧根離子引發齊U，二者摩爾比為1:1，將鐵源與引發劑利用超聲溶解於甘油和水組成的混合溶劑中。其中鐵源濃度為l.0mol/L，甘油和水體積比為1:6。將該混合溶液置於聚四氟乙烯反應釜密封，轉移到微波反應器，在140°C進行微波處理30min。2)將上述微波處理後產物自然冷卻後10000轉/min離心30min，所得沉澱用乙醇和水交替洗滌，洗滌後於80°C乾燥5h，即得到平均直徑350-400nm的半實心納米球，其整體結構由尺寸20-50nm的棒狀納米亞單元構成,如圖4所示。由圖4清晰可見其半實心結構，並且平均直徑350_400nm，其整體結構由尺寸20-50nm的棒狀納米亞單元構成。實施例3I)以六水合三氯化鐵(FeCl3.6H20)為鐵源，尿素(CO(NH2)2)為氫氧根離子引發齊IJ，二者摩爾比為1:1.5，將鐵源與引發劑利用超聲溶解於甘油和水組成的混合溶劑中。其中鐵源濃度為l.0mol/L，甘油和水體積比為1:3。將該混合溶液置於聚四氟乙烯反應釜密封，轉移到微波反應器，在140°C進行微波處理30min。2)將上述微波處理後產物自然冷卻後10000轉/min離心30min，所得沉澱用乙醇和水交替洗滌，洗滌後於80°C乾燥5h，即得到平均直徑300-400nm的空心納米球，空心球殼厚約60nm。其整體結構由尺寸30-50nm的棒狀納米亞單元構成,如圖5所示。由圖5清晰可見其空心結構，並且平均直徑300_400nm，其整體結構由尺寸30-50nm的棒狀納米亞單元構成。應用例I) a -Fe2O3空心納米球對As (V)和Cr (VI)離子的吸附。取15mg上述實施例3所得a -Fe2O3空心納米球置於30mL初始濃度為40mg/L的重金屬離子溶液中，室溫下攪拌IOh後在15000轉/min條件下離心20min，過濾。用ICP-OES測定濾液中殘餘重金屬離子含量。然後據公式(I)、(2)分別計算出a-Fe2O3空心納米球對As (V)和Cr(VI)離子的吸附容量和吸附率(見表I)。2) a -Fe2O3空心納米球對剛果紅的吸附。取30mg上述實施例3所得空心納米球置於50mL初始濃度為100mg/L的剛果紅溶液中。室溫下攪拌IOh後在15000轉/min條件下離心20min，過濾。用紫外可見光譜儀測定濾液中殘餘剛果紅 含量。然後可計算然後據公式(1)、(2)分別計算出C1-Fe2O3空心納米球對剛果紅的吸附容量和吸附率(見表I)。qe= (C0-Ce) V/W⑴Remova I % = (C0-Ce) /C0 (2)其中，qe為達到吸附平衡時的吸附容量(mg/g)，C0為有害物質的初始濃度(mg/L)，Ce為達吸附平衡時溶液中有害物質的濃度(mg/L)，V為溶液體積(L)，W為a -Fe2O3空心納米球的使用質量(g)。表I a -Fe2O3空心納米球對As (V)和Cr (VI)離子及剛果紅的吸附活性
權利要求
1.一種製備C1-Fe2O3納米球的方法，其特徵在於: O以六水合三氯化鐵(FeCl3.6H20)為鐵源，尿素(CO(NH2)2)為氫氧根離子引發劑，將鐵源與引發劑利用超聲溶解於甘油和水組成的混合溶劑中，而後置於密閉條件下進行微波處理，在130-150°C進行微波處理20-50min ； 其中，六水合三氯化鐵與尿素摩爾比為1:1-1.5，鐵源濃度為1.0-1.5mol/L，甘油和水體積比為1:2-9 ; 2)將上述微波處理後產物自然冷卻後離心，所得沉澱採用乙醇和水進行交替洗滌，洗滌後乾燥，即得平均直徑300-500nm、整體結構由尺寸約20_50nm的棒狀納米亞單元構成的a -Fe2O3納米球。
2.按權利要求1所述的製備a-Fe2O3納米球的方法，其特徵在於: O以六水合三氯化鐵(FeCl3.6Η20)為鐵源，尿素(CO(NH2)2)為氫氧根離子引發劑，將鐵源與引發劑利用超聲溶解於甘油和水組成的混合溶劑中，而後置於聚四氟乙烯反應釜內密封放置，再將反應釜聚四氟 乙烯內膽轉移到微波反應器中在130-150°C進行微波處理25_30min ； 其中，六水合三氯化鐵與尿素摩爾比為1:1-1.5，鐵源濃度為1.0-1.5mol/L，甘油和水體積比為1:8-9 ; 2)將上述微波處理後產物自然冷卻後10000轉/min離心30min，所得沉澱用乙醇和水交替洗滌，洗滌後於80°C乾燥5h，即得到平均直徑300-400nm的實心納米球，其整體結構由尺寸20-50nm的棒狀納米亞單元構成的a -Fe2O3納米球。
3.按權利要求1所述的製備a-Fe2O3納米球的方法，其特徵在於: O以六水合三氯化鐵(FeCl3.6Η20)為鐵源，尿素(CO(NH2)2)為氫氧根離子引發劑，將鐵源與引發劑利用超聲溶解於甘油和水組成的混合溶劑中，而後置於聚四氟乙烯反應釜內密封放置，再將反應釜聚四氟乙烯內膽轉移到微波反應器中在140°C進行微波處理25_30min ； 其中，六水合三氯化鐵與尿素摩爾比為1:1-1.5，鐵源濃度為1.0-1.5mol/L，甘油和水體積比為1:4-8 ; 2)將上述微波處理後產物自然冷卻後10000轉/min離心30min，所得沉澱用乙醇和水交替洗滌，洗滌後於80°C乾燥5h，即得到平均直徑300-400nm的半實心納米球，其整體結構由尺寸20-50nm的棒狀納米亞單元構成的a -Fe2O3納米球。
4.按權利要求1所述的製備a-Fe2O3納米球的方法，其特徵在於: O以六水合三氯化鐵(FeCl3.6Η20)為鐵源，尿素(CO(NH2)2)為氫氧根離子引發劑，將鐵源與引發劑利用超聲溶解於甘油和水組成的混合溶劑中，而後置於聚四氟乙烯反應釜內密封放置，再將反應釜聚四氟乙烯內膽轉移到微波反應器中在140°C進行微波處理25_30min ； 其中，六水合三氯化鐵與尿素摩爾比為1:1-1.5，鐵源濃度為1.0-1.5mol/L，甘油和水體積比為1:3-4 ； 2)將上述微波處理後產物自然冷卻後10000轉/min離心30min，所得沉澱用乙醇和水交替洗滌，洗滌後於80°C乾燥5h，即得到平均直徑300-500nm的空心納米球，其整體結構由尺寸30-50nm的棒狀納米亞單元構成的a -Fe2O3納米球。
全文摘要
本發明屬於化學工程技術，具體涉及一種製備α-Fe2O3納米球的方法。具體以六水合三氯化鐵(FeCl3·6H2O)為鐵源，尿素(CO(NH2)2)為氫氧根離子引發劑，將鐵源與引發劑利用超聲溶解於甘油和水組成的混合溶劑中，而後置於密閉條件下進行微波處理，在120-160℃進行微波處理20-50min；將微波處理後產物自然冷卻後離心，所得沉澱採用乙醇和水進行交替洗滌，洗滌後乾燥，即得平均直徑300-500nm、整體結構由尺寸約20-50nm的棒狀納米亞單元構成的α-Fe2O3納米球。本發明利用廉價無毒的甘油/水為溶劑，避免了有毒有機試劑的使用，同時微波法相比傳統加熱法具有反應時間更短、節約能源、環保的特點。
文檔編號B82Y30/00GK103073065SQ20121032313
公開日2013年5月1日 申請日期2012年9月4日 優先權日2012年9月4日
發明者李鵬程, 魏振華, 邢榮娥, 劉松, 於華華, 秦玉坤, 李榮峰, 李克成, 李冰, 王雪芹 申請人:中國科學院海洋研究所