一种多孔Fe₃O₄多级微米结构的制备方法

一种多孔Fe₃O₄多级微米结构的制备方法
【专利摘要】本发明提供了一种多孔Fe3O4多级微米结构的制备方法，其特征在于它采用乙酸铁聚合物作为前驱体，包括以下步骤：(1)将铁盐和乙酸盐分别完全溶于一定温度的热水中；(2)将上述两份溶液迅速混合搅拌并进行降温，一定时间后将生成的沉淀过滤出，干燥得到乙酸铁聚合物前驱体粉末；(3)将得到的乙酸铁聚合物前驱体粉末进行煅烧，得到具有多孔Fe3O4多级微米结构。本发明所涉及产品制备方法成本低廉，工艺简单，产品质量稳定且重复性好，易于实现批量化制备。产物为由Fe3O4纳米晶构成纳米带进而组装成的多级微米结构，比表面积较大，缩短了离子的扩散路径，具有极佳的电化学性能，适于大规模生产。
【专利说明】
一种多孔Fe3O4多级微米结构的制备方法
技术领域
[000?]本发明属于一种多孔Fe3(k多级微米结构的制备方法，具体的说涉及一种沉淀法制备金属有机盐聚合物前驱体并通过煅烧制备多孔Fe3O4多级微米结构的方法。本发明进一步涉及以上述方法制备的多孔Fe3(k多级微米结构。
【背景技术】
[0002]Fe3O4具有尺寸和形貌有关的电学和磁学性能，使它在磁性墨水、电子与生物敏感材料、磁流体和磁记录材料、高密度磁记录介质、生物医药以及电化学储能等领域具有广泛的应用。目前已经报道采用各种物理、化学方法已制备了单分散性的Fe3O4纳米颗粒、八面体、纳米棒、纳米线、纳米链、纳米管、纳米锥阵列、空心微球、三维超晶格和纳米花等纳米结构。由于Fe3O4的反尖晶石结构和固有的磁性，二维结构纳米片的制备被认为是非常困难的。目前合成了团聚在一起的Fe3O4纳米片或纳米片组装的纳米花，但反应要求较苛刻，工艺较复杂。
[0003]Fe3O4材料的制备方法，主要有机械球磨法，水热法，微乳液法，水解法等。机械球磨法制备纳米材料重现性好，操作简单，但生产时期长，粒径细化也难达到要求。由于强烈的塑性变形，会造成Fe3O4颗粒晶粒有较大的晶格畸变。水热法有两个优点:一是相对高的温度(130?250度)有利于磁性能的提高；二是在封闭容器中进行，产生相对高压(0.3?4MPa)，避免了组分挥发，有利于提高产物纯度和保护环境，但由于反应是在高温环境下进行，所以对设备的要求较高。微乳液法可有效避免颗粒之间发生团聚，因而得到的纳米粉体粒径分布窄，形态规则，分散性能好，且大多数为球形。通过控制微乳液液滴中水的体积及各种反应物的浓度可以控制Fe3O4的成核、生长过程，以获得各种粒径的单分散纳米粒子，但这种方法制备的Fe3O4纳米粒子晶型结构不完整，粒子表面易被污染。水解法对设备要求低，反应可以在较温和的条件下进行，工艺流程简单，反应产物纯度高，离子分散性较好，但该方法在制备过程中要求考虑影响粉末粒径和性能的因素较多(如反应物浓度、反应温度、加入速度以及搅拌情况等)。为此，可以采用简单的沉淀法制备乙酸铁聚合物前驱体，并通过热分解法制备由Fe3O4纳米晶组成的纳米带继而组装成多级微米结构。此方法制备的多孔Fe3O4多级微米结构形貌均一，具有良好的分散性，并可通过调节反应物浓度对前驱体的尺寸进行控制。
[0004]具有多孔结构的材料，因其具有高的比表面积和可调节的孔径结构，成为当前各个领域的研究热点，通过沉淀法实现对乙酸铁聚合物前驱体的可控制备，并调节煅烧机制，获得可调节的具有多孔的多级微米结构材料。具有介孔结构的多孔Fe3O4多级微米结构材料由于具有易于分离，较高的比表面积，可调节的孔径尺寸以及缩短离子通道等优势，在多个领域存在潜在的应用。

【发明内容】

[0005]本发明的目的在于提供一种制备工艺简单且成本较低的沉淀法制备乙酸铁聚合物前驱体并通过煅烧得到多孔Fe3O4多级微米结构的制备方法。该制备方法操作简便，产物均匀，稳定性好，成本低廉，环保且易于大规模商业化生产。在电化学、催化多个领域都具有潜在的应用价值。
[0006]为实现上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现:
[0007]本发明公开了制备一种多孔Fe3O4多级微米结构的方法，包括下列顺序步骤:
[0008](I)称取适量的铁盐和乙酸盐分别溶解于一定量的热去离子水中；
[0009](2)将两份溶液迅速混合，并在一定温度下搅拌后，再将混合液冷却至一定温度，生成的沉淀经过滤后进行干燥，获得乙酸铁聚合物前驱体；
[0010](3)将得到的乙酸铁聚合物前驱体粉末进行煅烧，得到具有多孔Fe3O4多级微米结构。
[0011]所述的铁盐为三氯化铁、硝酸铁、柠檬酸铁中的一种或几种。
[0012]所述的乙酸盐为乙酸钠、乙酸铵、乙酸钾中的一种或几种。
[0013]所述的铁离子:乙酸根离子的摩尔比为1:1-1:6，其中铁离子在水中的摩尔浓度为
0.5-8.0mol/L。
[0014]所述的热水的温度为70_95°C。
[0015]所述的温度降为40_60°C。
[0016]所述的惰性煅烧气氛为氮气、氩气。
[0017]所述的煅烧温度为400_800°C。
[0018]本发明采用一步沉淀法制备前驱体，涉及的制备工艺简单，产品质量稳定且重复性好，工艺过程环保无污染，通过对前驱体的煅烧即可得到均一的多孔多级微米结构，具有较大的比表面积和良好的导电性能，在多个领域的应用中具有很好的前景。
【附图说明】
[0019]图1为目标产物Fe3O4材料X射线衍射图。
[0020]图2为乙酸铁聚合物前驱体的扫描电镜照片。
[0021]图3为最终产物多孔多级微米结构的Fe3O4的扫描电镜照片。
[0022]图4为产物Fe3O4的氮气吸附脱附曲线以及孔径分布图。
【具体实施方式】
[0023]实施例1
[0024]一种制备多孔Fe3O4多级微米结构的方法，包括下列顺序步骤:
[0025](I)将三氯化铁、乙酸钠的分别完全溶于80°C的热水中，铁离子:乙酸根离子的摩尔比为1:3，其中铁离子在水溶液中的摩尔浓度为1.0mol/L。
[0026](2)将上述两份溶液迅速混合搅拌，将混合液降温至500C，5min后将生成的沉淀过滤出，之后置于烘箱中干燥得到乙酸铁聚合物前驱体粉末。
[0027](3)将得到的乙酸铁聚合物前驱体粉末置于氮气气氛中在400°C下煅烧2h，得到的固体粉末经离心、洗涤、干燥，得到多孔Fe3O4多级微米结构。
[0028]实施例2
[0029]一种制备多孔Fe3O4多级微米结构的方法，包括下列顺序步骤:
[0030](I)将硝酸铁、乙酸铵的分别完全溶于95°C的热水中，铁离子:乙酸根离子的摩尔比为1:6，其中铁离子在水溶液中的摩尔浓度为0.5mo I/L。
[0031 ] (2)将上述两份溶液迅速混合搅拌，将混合液降温至40°C，15min后将生成的沉淀过滤出，之后置于烘箱中干燥得到乙酸铁聚合物前驱体粉末。
[0032](3)将得到的乙酸铁聚合物前驱体粉末置于氩气气氛中在500°C下煅烧5h，得到的固体粉末经离心、洗涤、干燥，得到具有多孔Fe3O4多级微米结构。
[0033]实施例3
[0034]一种制备多孔Fe3O4多级微米结构的方法，包括下列顺序步骤。
[0035](I)将柠檬酸铁、乙酸钾的分别完全溶于70°C的热水中，铁离子:乙酸根离子的摩尔比为I: I，其中铁离子在水溶液中的摩尔浓度为8mol/L。
[0036](2)将上述两份溶液迅速混合搅拌，将混合液降温至600C，2min后将生成的沉淀过滤出，之后置于烘箱中干燥得到乙酸铁聚合物前驱体粉末。
[0037](3)将得到的乙酸铁聚合物前驱体粉末置于氮气气氛中700°C下煅烧4h，得到的固体粉末经离心、洗涤、干燥，得到具有多孔Fe3O4多级微米结构。
[0038]按照上述【具体实施方式】采用的方法可制备出多孔Fe3O4多级微米结构，由图1中的X射线衍射图可以证实；
[0039]通过上述【具体实施方式】采用的方法得到的乙酸铁聚合物前驱体粉末及最终产物多孔Fe3O4多级微米结构的SEM照片，由图2和3可见，经煅烧后，仍保持由Fe3O4纳米晶构成纳米带进而组装成的多级微米结构，并且材料具有了多孔结构，这有利于提高材料的比表面积，同时也缩短离子的扩散路径，使得材料在多个领域有潜在的开发应用价值。
[0040]图4为多孔Fe3O4多级微米结构的氮气吸附脱附曲线以及孔径分布图，从图中可以看出属于IV类吸附脱附，材料的比表面积为42m2/g，通过孔径分布图可以得出孔径大小集中在15nm左右，属于介孔结构。
【主权项】
1.一种多孔Fe3O4多级微米结构的制备方法，其特征在于它包括以下步骤: (1)称取适量的铁盐和乙酸盐分别溶解于一定量的热去离子水中； (2)将两份溶液迅速混合，并在一定温度下搅拌后，再将混合液冷却至一定温度，生成的沉淀经过滤后进行干燥，获得乙酸铁聚合物前驱体； (3)将得到的乙酸铁聚合物前驱体粉末进行煅烧，得到具有多孔Fe3O4多级微米结构。2.根据权利要求1所述的多孔Fe3O4多级微米结构的制备方法，其特征在于:所述步骤(I)中铁盐为三氯化铁、硝酸铁、柠檬酸铁、乙酰丙酮铁中的一种或几种；乙酸盐为乙酸钠、乙酸锂、乙酸铵、乙酸钾中的一种或几种。铁离子:乙酸根离子的摩尔比为1:1-1:6，其中铁离子在水中的摩尔浓度为0.5-8.0mol/L。3.根据权利要求1所述的多孔Fe3O4多级微米结构的制备方法，其特征在于:所述步骤(1)中热水的温度为70-95°C。4.根据权利要求1所述的多孔Fe3O4多级微米结构的制备方法，其特征在于:所述步骤(2)中混合液温度冷却到40-60°C。5.根据权利要求1所述的多孔Fe3O4多级微米结构的制备方法，其特征在于:所述步骤(3)前驱体采用在惰性气氛中煅烧的方法，煅烧温度为400-800Γ。6.根据权利要求1-5任一项所述的制备方法制得的是多孔Fe3O4多级微米结构。7.根据权利6要求所述的多孔Fe3O4多级结构，其特征在于:所述多孔Fe3O4多级微米结构为由Fe304纳米晶构成纳米带进而组装成的多级微米结构。
【文档编号】C01G49/08GK105948137SQ201610578710
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年7月21日
【发明人】毛常明, 王丽霞, 李桂村, 杜芳林, 刘宇, 朱磊
【申请人】青岛科技大学