一种纳米α相三氧化二铁及其制备方法与流程

本发明属于功能材料
技术领域：
，具体涉及一种纳米α相三氧化二铁及其制备方法。
背景技术：
：三氧化二铁是一种重要的无机非金属材料，是室温下最稳定的铁的氧化物，它具有成本低廉、环境污染小、抗腐蚀能力强等优点，在催化剂、电池、颜料、磁性和传感材料等领域应用广泛。目前，三氧化二铁的制备方法较多，有微乳法、水热法、水解法、溶胶-凝胶法、化学沉淀法、热解法、微波辅助合成法、辐射合成法以及固相法等。在所有这些制备方法中，热分解法工艺最简单，操作更方便，成本较低，应用较广；余高奇等将Fe(NO3)3·9H2O的醇溶液热分解，制备出了分散均匀的纳米级红色α-Fe2O3粉末(余高奇、李莉、王玲、王伟，热分解法制备纳米α-Fe2O3，武汉科技大学学报，2001，24(3)：251-252)；马振叶等以Fe2(SO4)3·5H2O为铁源，通过共沉淀法制备出比表面积较高的亚微米α-Fe2O3(马振叶，李凤生，大比表面积α-Fe2O3的制备及其催化性能研究，固体火箭技术，2006，29(4)：286-288)；专利CN101786669B将三价铁盐水溶液与沉淀剂加入到反应器中进行反应，搅拌，过滤、洗涤、干燥，得到的前驱物氢氧化铁与卤化铵混合研磨，然后热处理得α-三氧化二铁介晶；专利CN102616861A先将六水合三氯化铁、抗坏血酸、尿素和水混合后搅拌均匀，得到混合液，再将混合液置于温度为140～180℃、压力为自生压力下反应至少4h，得到中间产物，接着，先对中间产物进行分离、洗涤和干燥的处理，得到多孔碳酸铁，再将多孔碳酸铁置于450～550℃下退火至少4h后自然冷却至室温，制得三氧化二铁微纳米多孔球；在专利CN104743612A中，首先分别称取适量的硝酸铁和葡萄糖，并配成一定浓度的水溶液，然后将两种溶液混合并搅拌均匀后，转移至聚四氟乙烯内衬中，并将其放入高压釜中，在150～200℃的条件下反应6～15小时后取出反应釜，待其自然冷却至室温，将产物取出，分别用乙醇和去离子水各洗涤3遍，干燥，即得到了α相三氧化二铁产物；在专利CN105776348A中，以有机含铁化合物为铁源，通过简单的高温热解法制备出粒径均匀、磁强度高的微米级磁性α-三氧化二铁粒子。上述方法所得到的三氧化二铁产物多为微米级或亚微米级材料。相比于微米级材料，然而纳米级Fe2O3材料具有更优性能，但目前对纳米级Fe2O3制备方法研究较少。技术实现要素：本发明要解决现有方法制备的三氧化二铁产物多为微米级或亚微米级的技术问题；而提供了一种纳米α相三氧化二铁及其制备方法。本发明纳米α相三氧化二铁是将铁离子负载在木质素上，在氧气或空气气氛下活化而成的；具体是按下述步骤进行的：步骤一、室温下将含铁离子水溶液与木质素混合，搅拌均匀，然后调节pH至9，继续搅拌1h，将固体沉淀分离出来，洗涤除杂，干燥；洗涤具体方法是将分离出来的固体沉淀用去离子水清洗三至五次。步骤二、研磨后在氧气或空气气氛下活化，得到纳米α相三氧化二铁；其中步骤一含铁离子水溶液中的铁离子为Fe2+和/或Fe3+；铁离子优选为Fe2+。步骤一中所述木质素为碱木质素、硫酸盐木质素、酶水解木质素、酸水解木质素以及木质素磺酸盐中的一种或其中几种的混合，所述木质素混合物时，各种木质素之间按任意比组合；优选为：木质素磺酸盐。步骤一中含铁离子水溶液中铁离子的浓度为0.2mol/L～0.3mol/L。步骤一中铁离子与木质素的质量比为1:(0.1～100)；铁离子与木质素的质量比优选为1:(1～10)。步骤二活化是步骤一处理后的固体沉淀研磨细粉末，放入坩埚，置于马弗炉中，在氧气或空气气氛下，以5～15℃/min的升温速度升温至300～1000℃，保温2h。步骤二所述活化温度优选为500℃～800℃，多以α相存在。本发明的方法直接使用工业木质素废弃物作为有机添加剂和铁分散剂，木质素的加入抑制了活化过程中铁氧化物微晶的继续增长和团聚，可制备出纳米级α-Fe2O3粒子，粒径可控、分布均匀，其粒径分布范围为5～30nm；所使用的木质素添加剂的成本低，使本发明的制备成本较低，且制备过程无有毒有害副产物生成。附图说明图1为具体实施方式一所得Fe2O3的电镜扫描图；图2为具体实施方式二所得Fe2O3的X-射线衍射图。具体实施方式具体实施方式一：本实施方式中一种纳米α相三氧化二铁及其制备方法是按下述步骤进行的：步骤一、室温下将50mL浓度为0.2mol/LFeCl2水溶液与0.1g木质素磺酸钠混合，搅拌均匀，然后调节pH至9，继续搅拌1h，将固体沉淀从混合溶液中过滤，用去离子水清洗三次，在120℃的烘箱内干燥12h；步骤二、研磨至60目，放入坩埚，然后放入马弗炉中，氧气气氛下，以10℃/min的速度升温至300℃，保温活化2h，随炉冷却，获得纳米α相三氧化二铁颗粒，粒径分布20～30nm(参见图1)。具体实施方式二：本实施方式中一种纳米α相三氧化二铁及其制备方法是按下述步骤进行的：步骤一、室温下将50mL浓度为0.2mol/L硫酸亚铁水溶液与0.56g木质素磺酸钠混合，搅拌均匀，然后调节pH至9，继续搅拌1h，将固体沉淀从混合溶液中过滤，用去离子水清洗三次，在120℃的烘箱内干燥12h；步骤二、研磨至80目，放入坩埚，然后放入马弗炉中，氧气气氛下，以10℃/min的速度升温至500℃，保温活化2h，随炉冷却，获得纳米α相三氧化二铁颗粒，粒径分布10～20nm。本实施方式制备的三氧化二铁的X-射线衍射图如图2所示，由图2可知，2θ角为24.2°、33.2°、35.6°、40.9°、49.5°、54.1°、57.6°、62.4°、64.0°、71.9°和75.5°处的衍射峰，分别对应的是α-Fe2O3的(012)、(104)、(110)、(113)、(024)、(116)、(018)、(214)、(300)、(119)和(220)晶面，三组曲线与标准PDF卡片(JCPDS33-0664)相比较，各个峰的位置、峰形基本相同，可以确定该物质为刚玉结构的赤铁矿α-Fe2O3。具体实施方式三：本实施方式中一种纳米α相三氧化二铁及其制备方法是按下述步骤进行的：步骤一、室温下将50mL浓度为0.2mol/L氯化高铁水溶液与5.6g碱木质素混合，搅拌均匀，然后调节pH至9，继续搅拌1h，将固体沉淀从混合溶液中过滤，用去离子水清洗三次，在120℃的烘箱内干燥12h；步骤二、研磨至80目，放入坩埚，然后放入马弗炉中，氧气气氛下，以10℃/min的速度升温至1000℃，保温活化2h，随炉冷却，获得纳米α相三氧化二铁颗粒，粒径分布20～30nm。具体实施方式四：本实施方式中一种纳米α相三氧化二铁及其制备方法是按下述步骤进行的：步骤一、室温下将50mL浓度为0.2mol/L氯化高铁水溶液与5.6g碱木质素混合，搅拌均匀，然后调节pH至9，继续搅拌1h，将固体沉淀从混合溶液中过滤，用去离子水清洗三次，在120℃的烘箱内干燥12h；步骤二、研磨至80目，放入坩埚，然后放入马弗炉中，氧气气氛下，以10℃/min的速度升温至500℃，保温活化2h，随炉冷却，获得纳米α相三氧化二铁颗粒，粒径分布10～20nm。具体实施方式五：本实施方式中一种纳米α相三氧化二铁及其制备方法是按下述步骤进行的：步骤一、室温下将50mL浓度为0.2mol/L氯化铁水溶液与5.6g酸水解木质素混合，搅拌均匀，然后调节pH至9，继续搅拌1h，将固体沉淀从混合溶液中过滤，用去离子水清洗三次，在120℃的烘箱内干燥12h；步骤二、研磨至80目，放入坩埚，然后放入马弗炉中，氧气气氛下，以10℃/min的速度升温至500℃，保温活化2h，随炉冷却，获得纳米α相三氧化二铁颗粒，粒径分布10～20nm。具体实施方式六：本实施方式中一种纳米α相三氧化二铁及其制备方法是按下述步骤进行的：步骤一、室温下将50mL浓度为0.2mol/L氯化铁水溶液与5.6g硫酸盐木质素混合，搅拌均匀，然后调节pH至9，继续搅拌1h，将固体沉淀从混合溶液中过滤，用去离子水清洗三次，在120℃的烘箱内干燥12h；步骤二、研磨至80目，放入坩埚，然后放入马弗炉中，氧气气氛下，以10℃/min的速度升温至500℃，保温活化2h，随炉冷却，获得纳米α相三氧化二铁颗粒，粒径分布10～20nm。具体实施方式七：本实施方式中一种纳米α相三氧化二铁及其制备方法是按下述步骤进行的：步骤一、室温下将50mL浓度为0.3mol/L氯化铁水溶液与5.6g木质素磺酸钠混合，搅拌均匀，然后调节pH至9，继续搅拌1h，将固体沉淀从混合溶液中过滤，用去离子水清洗三次，在120℃的烘箱内干燥12h；步骤二、研磨至80目，放入坩埚，然后放入马弗炉中，在氧气气氛下，以10℃/min的速度升温至500℃，保温活化2h，随炉冷却，获得纳米α相三氧化二铁颗粒，粒径分布20～30nm。具体实施方式八：本实施方式中一种纳米α相三氧化二铁及其制备方法是按下述步骤进行的：步骤一、室温下将50mL浓度为0.2mol/L氯化铁水溶液与5.6g碱木质素混合，搅拌均匀，然后调节pH至9，继续搅拌1h，将固体沉淀从混合溶液中过滤，用去离子水清洗三次，在120℃的烘箱内干燥12h；步骤二、研磨至80目，放入坩埚，然后放入马弗炉中，在空气气氛下，以10℃/min的速度升温至500℃，保温活化2h，随炉冷却，获得纳米α相三氧化二铁颗粒，粒径分布5～10nm。采用下述试验验证发明效果：其他反应条件相同，铁离子与木质素的质量比不同，具体参见表1表1不同铁离子与木质素的质量比对三氧化二铁的粒度的影响质量比粒径分布1:0.1150-200nm1:120-30nm1:1010-20nm1:1005-10nm由表1可知，木质素的用量越大，所制备得到的α相三氧化二铁的粒径越小。当前第1页1 2 3