一種多孔Fe₃O₄多級微米結構的制備方法

一種多孔Fe₃O₄多級微米結構的制備方法
【專利摘要】本發明提供了一種多孔Fe3O4多級微米結構的制備方法，其特征在于它采用乙酸鐵聚合物作為前驅體，包括以下步驟：(1)將鐵鹽和乙酸鹽分別完全溶于一定溫度的熱水中；(2)將上述兩份溶液迅速混合攪拌并進行降溫，一定時間后將生成的沉淀過濾出，干燥得到乙酸鐵聚合物前驅體粉末；(3)將得到的乙酸鐵聚合物前驅體粉末進行煅燒，得到具有多孔Fe3O4多級微米結構。本發明所涉及產品制備方法成本低廉，工藝簡單，產品質量穩定且重復性好，易于實現批量化制備。產物為由Fe3O4納米晶構成納米帶進而組裝成的多級微米結構，比表面積較大，縮短了離子的擴散路徑，具有極佳的電化學性能，適于大規模生產。
【專利說明】
一種多孔Fe3O4多級微米結構的制備方法
技術領域
[000?]本發明屬于一種多孔Fe3(k多級微米結構的制備方法，具體的說涉及一種沉淀法制備金屬有機鹽聚合物前驅體并通過煅燒制備多孔Fe3O4多級微米結構的方法。本發明進一步涉及以上述方法制備的多孔Fe3(k多級微米結構。
【背景技術】
[0002]Fe3O4具有尺寸和形貌有關的電學和磁學性能，使它在磁性墨水、電子與生物敏感材料、磁流體和磁記錄材料、高密度磁記錄介質、生物醫藥以及電化學儲能等領域具有廣泛的應用。目前已經報道采用各種物理、化學方法已制備了單分散性的Fe3O4納米顆粒、八面體、納米棒、納米線、納米鏈、納米管、納米錐陣列、空心微球、三維超晶格和納米花等納米結構。由于Fe3O4的反尖晶石結構和固有的磁性，二維結構納米片的制備被認為是非常困難的。目前合成了團聚在一起的Fe3O4納米片或納米片組裝的納米花，但反應要求較苛刻，工藝較復雜。
[0003]Fe3O4材料的制備方法，主要有機械球磨法，水熱法，微乳液法，水解法等。機械球磨法制備納米材料重現性好，操作簡單，但生產時期長，粒徑細化也難達到要求。由于強烈的塑性變形，會造成Fe3O4顆粒晶粒有較大的晶格畸變。水熱法有兩個優點:一是相對高的溫度(130?250度)有利于磁性能的提高；二是在封閉容器中進行，產生相對高壓(0.3?4MPa)，避免了組分揮發，有利于提高產物純度和保護環境，但由于反應是在高溫環境下進行，所以對設備的要求較高。微乳液法可有效避免顆粒之間發生團聚，因而得到的納米粉體粒徑分布窄，形態規則，分散性能好，且大多數為球形。通過控制微乳液液滴中水的體積及各種反應物的濃度可以控制Fe3O4的成核、生長過程，以獲得各種粒徑的單分散納米粒子，但這種方法制備的Fe3O4納米粒子晶型結構不完整，粒子表面易被污染。水解法對設備要求低，反應可以在較溫和的條件下進行，工藝流程簡單，反應產物純度高，離子分散性較好，但該方法在制備過程中要求考慮影響粉末粒徑和性能的因素較多(如反應物濃度、反應溫度、加入速度以及攪拌情況等)。為此，可以采用簡單的沉淀法制備乙酸鐵聚合物前驅體，并通過熱分解法制備由Fe3O4納米晶組成的納米帶繼而組裝成多級微米結構。此方法制備的多孔Fe3O4多級微米結構形貌均一，具有良好的分散性，并可通過調節反應物濃度對前驅體的尺寸進行控制。
[0004]具有多孔結構的材料，因其具有高的比表面積和可調節的孔徑結構，成為當前各個領域的研究熱點，通過沉淀法實現對乙酸鐵聚合物前驅體的可控制備，并調節煅燒機制，獲得可調節的具有多孔的多級微米結構材料。具有介孔結構的多孔Fe3O4多級微米結構材料由于具有易于分離，較高的比表面積，可調節的孔徑尺寸以及縮短離子通道等優勢，在多個領域存在潛在的應用。

【發明內容】

[0005]本發明的目的在于提供一種制備工藝簡單且成本較低的沉淀法制備乙酸鐵聚合物前驅體并通過煅燒得到多孔Fe3O4多級微米結構的制備方法。該制備方法操作簡便，產物均勻，穩定性好，成本低廉，環保且易于大規模商業化生產。在電化學、催化多個領域都具有潛在的應用價值。
[0006]為實現上述目的，本發明采用以下技術方案予以實現:
[0007]本發明公開了制備一種多孔Fe3O4多級微米結構的方法，包括下列順序步驟:
[0008](I)稱取適量的鐵鹽和乙酸鹽分別溶解于一定量的熱去離子水中；
[0009](2)將兩份溶液迅速混合，并在一定溫度下攪拌后，再將混合液冷卻至一定溫度，生成的沉淀經過濾后進行干燥，獲得乙酸鐵聚合物前驅體；
[0010](3)將得到的乙酸鐵聚合物前驅體粉末進行煅燒，得到具有多孔Fe3O4多級微米結構。
[0011]所述的鐵鹽為三氯化鐵、硝酸鐵、檸檬酸鐵中的一種或幾種。
[0012]所述的乙酸鹽為乙酸鈉、乙酸銨、乙酸鉀中的一種或幾種。
[0013]所述的鐵離子:乙酸根離子的摩爾比為1:1-1:6，其中鐵離子在水中的摩爾濃度為
0.5-8.0mol/L。
[0014]所述的熱水的溫度為70_95°C。
[0015]所述的溫度降為40_60°C。
[0016]所述的惰性煅燒氣氛為氮氣、氬氣。
[0017]所述的煅燒溫度為400_800°C。
[0018]本發明采用一步沉淀法制備前驅體，涉及的制備工藝簡單，產品質量穩定且重復性好，工藝過程環保無污染，通過對前驅體的煅燒即可得到均一的多孔多級微米結構，具有較大的比表面積和良好的導電性能，在多個領域的應用中具有很好的前景。
【附圖說明】
[0019]圖1為目標產物Fe3O4材料X射線衍射圖。
[0020]圖2為乙酸鐵聚合物前驅體的掃描電鏡照片。
[0021]圖3為最終產物多孔多級微米結構的Fe3O4的掃描電鏡照片。
[0022]圖4為產物Fe3O4的氮氣吸附脫附曲線以及孔徑分布圖。
【具體實施方式】
[0023]實施例1
[0024]一種制備多孔Fe3O4多級微米結構的方法，包括下列順序步驟:
[0025](I)將三氯化鐵、乙酸鈉的分別完全溶于80°C的熱水中，鐵離子:乙酸根離子的摩爾比為1:3，其中鐵離子在水溶液中的摩爾濃度為1.0mol/L。
[0026](2)將上述兩份溶液迅速混合攪拌，將混合液降溫至500C，5min后將生成的沉淀過濾出，之后置于烘箱中干燥得到乙酸鐵聚合物前驅體粉末。
[0027](3)將得到的乙酸鐵聚合物前驅體粉末置于氮氣氣氛中在400°C下煅燒2h，得到的固體粉末經離心、洗滌、干燥，得到多孔Fe3O4多級微米結構。
[0028]實施例2
[0029]一種制備多孔Fe3O4多級微米結構的方法，包括下列順序步驟:
[0030](I)將硝酸鐵、乙酸銨的分別完全溶于95°C的熱水中，鐵離子:乙酸根離子的摩爾比為1:6，其中鐵離子在水溶液中的摩爾濃度為0.5mo I/L。
[0031 ] (2)將上述兩份溶液迅速混合攪拌，將混合液降溫至40°C，15min后將生成的沉淀過濾出，之后置于烘箱中干燥得到乙酸鐵聚合物前驅體粉末。
[0032](3)將得到的乙酸鐵聚合物前驅體粉末置于氬氣氣氛中在500°C下煅燒5h，得到的固體粉末經離心、洗滌、干燥，得到具有多孔Fe3O4多級微米結構。
[0033]實施例3
[0034]一種制備多孔Fe3O4多級微米結構的方法，包括下列順序步驟。
[0035](I)將檸檬酸鐵、乙酸鉀的分別完全溶于70°C的熱水中，鐵離子:乙酸根離子的摩爾比為I: I，其中鐵離子在水溶液中的摩爾濃度為8mol/L。
[0036](2)將上述兩份溶液迅速混合攪拌，將混合液降溫至600C，2min后將生成的沉淀過濾出，之后置于烘箱中干燥得到乙酸鐵聚合物前驅體粉末。
[0037](3)將得到的乙酸鐵聚合物前驅體粉末置于氮氣氣氛中700°C下煅燒4h，得到的固體粉末經離心、洗滌、干燥，得到具有多孔Fe3O4多級微米結構。
[0038]按照上述【具體實施方式】采用的方法可制備出多孔Fe3O4多級微米結構，由圖1中的X射線衍射圖可以證實；
[0039]通過上述【具體實施方式】采用的方法得到的乙酸鐵聚合物前驅體粉末及最終產物多孔Fe3O4多級微米結構的SEM照片，由圖2和3可見，經煅燒后，仍保持由Fe3O4納米晶構成納米帶進而組裝成的多級微米結構，并且材料具有了多孔結構，這有利于提高材料的比表面積，同時也縮短離子的擴散路徑，使得材料在多個領域有潛在的開發應用價值。
[0040]圖4為多孔Fe3O4多級微米結構的氮氣吸附脫附曲線以及孔徑分布圖，從圖中可以看出屬于IV類吸附脫附，材料的比表面積為42m2/g，通過孔徑分布圖可以得出孔徑大小集中在15nm左右，屬于介孔結構。
【主權項】
1.一種多孔Fe3O4多級微米結構的制備方法，其特征在于它包括以下步驟: (1)稱取適量的鐵鹽和乙酸鹽分別溶解于一定量的熱去離子水中； (2)將兩份溶液迅速混合，并在一定溫度下攪拌后，再將混合液冷卻至一定溫度，生成的沉淀經過濾后進行干燥，獲得乙酸鐵聚合物前驅體； (3)將得到的乙酸鐵聚合物前驅體粉末進行煅燒，得到具有多孔Fe3O4多級微米結構。2.根據權利要求1所述的多孔Fe3O4多級微米結構的制備方法，其特征在于:所述步驟(I)中鐵鹽為三氯化鐵、硝酸鐵、檸檬酸鐵、乙酰丙酮鐵中的一種或幾種；乙酸鹽為乙酸鈉、乙酸鋰、乙酸銨、乙酸鉀中的一種或幾種。鐵離子:乙酸根離子的摩爾比為1:1-1:6，其中鐵離子在水中的摩爾濃度為0.5-8.0mol/L。3.根據權利要求1所述的多孔Fe3O4多級微米結構的制備方法，其特征在于:所述步驟(1)中熱水的溫度為70-95°C。4.根據權利要求1所述的多孔Fe3O4多級微米結構的制備方法，其特征在于:所述步驟(2)中混合液溫度冷卻到40-60°C。5.根據權利要求1所述的多孔Fe3O4多級微米結構的制備方法，其特征在于:所述步驟(3)前驅體采用在惰性氣氛中煅燒的方法，煅燒溫度為400-800Γ。6.根據權利要求1-5任一項所述的制備方法制得的是多孔Fe3O4多級微米結構。7.根據權利6要求所述的多孔Fe3O4多級結構，其特征在于:所述多孔Fe3O4多級微米結構為由Fe304納米晶構成納米帶進而組裝成的多級微米結構。
【文檔編號】C01G49/08GK105948137SQ201610578710
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年7月21日
【發明人】毛常明, 王麗霞, 李桂村, 杜芳林, 劉宇, 朱磊
【申請人】青島科技大學