一種氣相化學運輸法制備納米Fe3?xSnxO4材料的方法與流程

本發明涉及一種納米Fe_3-xSn_xO₄材料的制備方法，特別涉及一種氣相化學運輸法制備納米Fe_3-xSn_xO₄材料的方法，屬于錫鐵納米材料制備領域。

背景技術：

錫以及錫的多元氧化物具有良好的半導體性能，其中Fe_3-xSn_xO₄廣泛的應用于制備鐵氧磁性材料、電力變壓器鐵芯、氣敏材料、多相催化劑以及磁性記憶材料等等。尤其是作為鐵氧體磁性材料，主要用于磁性天線、電感器、變壓器、磁頭、耳機、繼電器、振動子、延遲線、傳感器、微波吸收材料、電磁鐵、加速器高頻加速腔、磁場探頭、磁性基片、磁場屏蔽、高頻淬火聚能、電磁吸盤、磁敏元件(如磁熱材料作開關)等。

Fe_3-xSn_xO₄的制備方法主要是高溫固相反應，在1300℃以上的高溫條件下通過固相反應法進行合成，此方法雖然工藝簡單，但是過高的反應溫度會導致產物晶粒生長過大，產品粒度粗，在幾十甚至上百微米粒級，僅適用于制備鐵氧體材料和吸波材料等初級用途。

而納米級的Fe_3-xSn_xO₄具有優良的催化和氣敏性能，可以廣泛的應用于制備催化劑以及氣敏器件。納米Fe_3-xSn_xO₄的主要制備方法是濕化學合成法，主要包括利用共沉淀和離子交換法，首先將鐵和錫的可溶性氯鹽或者硝酸鹽配成特定比例溶液后，再添加氨水或者NaOH溶液調整pH，使錫和鐵共同沉淀，獲得羥基錫鐵化合物沉淀物，經過有機溶劑的反復過濾、洗滌，將雜質離子洗脫后，最后將沉淀物在200-600℃的溫度下進行焙燒脫水，獲得錫鐵尖晶石產品，濕化學合成法的主要優點是獲得產品粒均勻、可控，尤其在制備納米尺度的顆粒產品。但是濕法過程不可避免使用到各種有機溶劑洗滌劑，會產生一定環境污染；另外濕法合成產率低、制備工藝復雜。然而多元氧化物制備過程中，不同元素的沉淀性質存在差異，導致獲得產品中，元素存在偏析，均勻性不佳，嚴重影響產品質量。

氣相化學運輸是一種制備高品質單晶物質的方法，主要用于合成溶液體系極其不穩定的多元氯化、硫化、碘化、氧化物等，此方法也用于稀有金屬以及稀土元素的分離回收等工藝。氣相化學運輸法制備的產品純度高、晶體結構可控。

技術實現要素：

針對現有的制備納米Fe_3-xSn_xO₄材料的方法存在流程長，產率低等不足，本發明的目的是在于提供一種焙燒溫度低、時間短的通過氣相運輸方法制備高純度、粒徑均勻的Fe_3-xSn_xO₄材料的制備方法，該方法工藝簡單、高效，有利于工業化生產。

為了實現上述技術目的，本發明提供了一種氣相化學運輸法制備納米Fe_3-xSn_xO₄材料的方法，該方法是將SnO₂置于含CO和CO₂混合氣氛中，于850～950℃溫度下進行一段焙燒，焙燒煙氣直接引入裝有納米羥基鐵粉末的爐中，在875～975℃溫度下進行二段焙燒，即得納米Fe_3-xSn_xO₄。

本發明的技術方案主要針對SnO₂性質穩定，在1300℃以下很難與其他物質發生反應的問題，提出一種制備納米Fe_3-xSn_xO₄材料的全新思路。本發明的技術方案將Fe_3-xSn_xO₄材料的制備分兩段進行，一段反應過程中，通過控制還原氣氛，可以將SnO₂還原成易揮發的SnO；二段反應過程中以納米羥基鐵粉末為原料，其在高溫下加熱生成納米鐵氧化物，而新生成的納米鐵氧化物與氣相SnO接觸進行氣固原位反應，氣態SnO有極高的活性，新生成的納米鐵氧化物反應活性也較高，在適當的溫度條件下，兩者反應變得容易，生成高純度的晶相均勻穩定的納米Fe_3-xSn_xO₄產物。兩段焙燒溫度均控制在1000℃以下，且二段氣固反應為原位反應，產物中不會有液相出現，便于對產物粒度組成的控制，使Fe_3-xSn_xO₄保持原有的納米鐵氧化物前軀體粒徑，使產品的粒徑均勻。

優選的方案，含CO和CO₂混合氣氛中CO的體積百分比含量為10～15.5％。

優選的方案，一段和二段的焙燒時間為10～30min。

優選的方案，納米羥基鐵粉末粒徑為100～500nm。納米羥基鐵粉末即氫氧化鐵沉淀前驅體是通過常規化學沉淀法得到，將其粒徑控制在100～500nm是本技術領域容易實現的。

相對現有技術，本發明申請的技術方案帶來的有益技術效果：

1)本發明制備納米Fe_3-xSn_xO₄材料的過程溫度控制在1000℃以下，且反應時間控制在10～30min內，使反應條件溫和化，達到節能、降低成本的目的。克服了傳統的固相反應法制備Fe_3-xSn_xO₄材料需在1300℃以上高溫下焙燒，且焙燒時間長的缺陷。

2)本發明申請的技術方案通過SnO氣態與納米鐵氧化物固態進行氣固原位反應，可以獲得純度高，晶相結構均勻穩定，而粒徑分布均勻的納米Fe_3-xSn_xO₄產物，克服了現有的固相反應方法制備的產物由于有液相出現，難以對產物粒度組成的控制以及產品晶相不均勻，存在組分偏析等缺陷。

附圖說明

【圖1】是實施例1的產品XRD圖譜。

【圖2】是實施例1的產品掃描電鏡圖。

具體實施方式

以下實施例旨在進一步說明本發明內容，而不是限制本發明權利要求的保護范圍。

實施例1

以分析純的SnO₂為原料，置于CO與CO₂組成的焙燒氣氛中進行一段焙燒，焙燒溫度為950℃，焙燒氣氛為[CO/(CO+CO₂)]為10％，焙燒煙氣直接隨氣流通入二段焙燒爐；二段焙燒爐中放置的納米氫氧化鐵粉末，平均粒度為200nm，二段焙燒爐的溫度為875℃，焙燒時間10min。焙燒結束后，關閉焙燒爐加熱裝置，并通入惰性氣氛(高純N₂)保護冷卻至室溫，取出樣品，獲得高純納米Fe_3-xSn_xO₄，經XRD定量分析，產品Fe_3-xSn_xO₄(x＝0.2)，純度達到99.2％。產品XRD圖見圖1所示，產品中唯一的物相為Fe_3-xSn_xO₄(x＝0.2)，說明產品純度高；產品掃描電鏡圖見圖2所示，產品粒度均勻，粒徑在200納米左右。

實施例2

以分析純的SnO₂為原料，置于CO與CO₂組成的焙燒氣氛中進行一段焙燒，焙燒溫度為870℃，焙燒氣氛為[CO/(CO+CO₂)]為13.5％，焙燒煙氣直接隨氣流通入二段焙燒爐；二段焙燒爐中放置的納米氫氧化鐵粉末，平均粒度為500nm，二段焙燒爐的溫度為955℃，焙燒時間20min。焙燒結束后，關閉焙燒爐加熱裝置，并通入惰性氣氛(高純N₂)保護冷卻至室溫，取出樣品，獲得高純納米Fe_3-xSn_xO₄，經XRD定量分析，產品Fe_3-xSn_xO₄(x＝0.4)，純度達到99.1％，產品粒度均勻，平均粒徑在500納米左右。

實施例3

以分析純的SnO₂為原料，置于CO與CO₂組成的焙燒氣氛中進行一段焙燒，焙燒溫度為850℃，焙燒氣氛為[CO/(CO+CO₂)]為15.5％，焙燒煙氣直接隨氣流通入二段焙燒爐；二段焙燒爐中放置的納米氫氧化鐵粉末，平均粒度為250nm，二段焙燒爐的溫度為975℃，焙燒時間30min。焙燒結束后，關閉焙燒爐加熱裝置，并通入惰性氣氛(高純N₂)保護冷卻至室溫，取出樣品，獲得高純納米Fe_3-xSn_xO₄，經XRD定量分析，產品Fe_3-xSn_xO₄(x＝0.5)，純度達到98.7％，產品粒度均勻，粒徑在250納米左右。

實施例4

以分析純的SnO₂為原料，置于CO與CO₂組成的焙燒氣氛中進行一段焙燒，焙燒溫度為850℃，焙燒氣氛為[CO/(CO+CO₂)]為10％，焙燒煙氣直接隨氣流通入二段焙燒爐；二段焙燒爐中放置的納米氫氧化鐵粉末，平均粒度為400nm，二段焙燒爐的溫度為975℃，焙燒時間30min。焙燒結束后，關閉焙燒爐加熱裝置，并通入惰性氣氛(高純N₂)保護冷卻至室溫，取出樣品，獲得高純納米Fe_3-xSn_xO₄，經XRD定量分析，產品Fe_3-xSn_xO₄(x＝0.1)，純度達到99.0％產品粒度均勻，粒徑在400納米左右。