一种快速制备单相铜铁矿结构CuFeO2微晶材料的方法与流程

本发明涉及一种快速制备单相铜铁矿结构cufeo2微晶材料的方法，属于金属氧化物半导体材料合成制备领域。

背景技术：

铜铁矿abo2型材料在1873年首次被friedel报道，1946年pabst首次合成了铜铁矿型材料cufeo2。cufeo2晶体结构是由二维密堆积的cu⁺和fe³⁺o6八面体沿c轴交替堆跺而成，由于堆叠方式的不同，将会分别形成六方2h结构(以…ababab…方式堆叠)和菱方3r结构(以…abcabc…方式堆叠)。在实际制备条件下，菱方3r结构具有相对较低的形成能，因此更常见。cufeo2由于其独特的晶体结构而备受关注，并作为光催化剂、催化剂、抗菌材料及铁电材料等被广泛研究。cufeo2通常通过高温固相反应（＞850°c，＞12h），伴随高温（＞650°c，10h）后处理的溶胶-凝胶法，或水热合成（180℃，＜24h），所有这些制备方法都涉及高温和长反应时间，能耗较高。此外，在通过上述方法制备cufeo2的过程中通常不可避免的会引入诸如：2h与3r混合相、铜空位、间隙氧等点缺陷以及cuo、cu2o、fe2o3、cufe2o4等副产物，这一事实导致非常严重的后果：文献中提供的cufeo2基本物理化学性质通常不准确且不一致，限制了对该材料在光电转换领域的应用和和进一步开发。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，与传统加热方法相比，微波加热可以在不加热整个炉体的情况下，通过偶极极化和离子传导对目标材料进行加热，从而大大缩短了反应时间，提高了反应速率，降低了能耗。

本发明提供一种快速有效合成单相铜铁矿结构cufeo2微晶材料的微波辅助水热合成法，在大大降低能耗的同时还避免了常规合成方法中引入的杂相及缺陷致使cufeo2材料基本物理化学性质参数的准确性与其实际值存在偏差的现象。进而可以全面掌握调控其基本物理化学性质，更好的挖掘其在各种新型光电功能器件中的潜在价值。

本发明通过以下技术方案实现：

一种快速制备单相铜铁矿结构cufeo2微晶材料的方法，具体步骤如下：

（1）将cu(no3)2.3h2o和fe(no3)3.9h2o按照摩尔比1:1加入去离子水中，磁力搅拌溶解，得到混合溶液；

（2）在步骤（1）的混合溶液中逐滴滴加naoh溶液，再依次超声、磁力搅拌；

（3）在步骤（2）的溶液中滴加正丙醛后继续磁力搅拌至形成胶状悬浮液；

（4）将步骤（3）的胶状悬浮液加入微波消解罐中，胶状悬浮液的填充率为10～35%，密封后微波加热至100～160℃反应0.5～2h，反应结束后，待自然冷却至室温，打开微波消解罐取出反应产物，反应产物洗涤干燥后得到单相铜铁矿结构cufeo2微晶材料。

步骤（1）混合溶液中cu(no3)2的浓度为0.5～0.8mol/l。

步骤（1）磁力搅拌器的搅拌转速为300～450转/min，搅拌10～15min。

步骤（2）naoh溶液按照naoh是cu(no3)2.3h2o和fe(no3)3.9h2o总物质的量的4～10倍进行添加。

步骤（2）naoh溶液的浓度为1.5～4mol/l，滴加速度为1.5～2.5ml/min。

步骤（2）超声功率为300～400w，超声10～15min。

步骤（2）和步骤（3）磁力搅拌转速为350～450转/min，搅拌10～15min。

步骤（3）正丙醛的滴加速度是4～5ml/min，添加的正丙醛的体积与cu(no3)2.3h2o和fe(no3)3.9h2o总物质的量的体积摩尔比l:mol为1～2:10。

步骤（4）洗涤是依次使用去离子水、稀硝酸、无水乙醇离心清洗5～8次。

步骤（4）干燥是在恒温烘箱中80～100℃干燥10～12h。

本发明在较低温度下，较短时间内通过一步反应法皆可制备单相铜铁矿结构cufeo2微晶材料，首次开发出的一种单相铜铁矿结构cufeo2微晶材料高产率、低成本的快速制备方法，对于促进cufeo2半导体材料及其在光催化、催化、光伏、铁电等功能器件领域的应用发展，具有十分重要的学术价值。

本发明与现有技术相比，还有以下几个突出效果：

（1）反应时间极短，能耗低。

（2）工艺简单、工艺参数容易控制、实验重复性好、单次产量高。

（3）使用的反应原材料来源广泛，环境污染小、价格低廉、生产成本低。

附图说明

图1为实施例1-3所制备出的cufeo2微晶材料的x射线衍射图谱；

图2为实施例1-3所制备出的cufeo2微晶材料的场发射扫描电镜图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。

实施例1

一种快速制备单相铜铁矿结构cufeo2微晶材料的方法，具体步骤如下：

（1）将cu(no3)2.3h2o和fe(no3)3.9h2o按照摩尔比1:1加入去离子水中，在磁力搅拌器中充分搅拌10min溶解，磁力搅拌器的搅拌转速为450转/min，得到混合溶液，混合溶液中cu(no3)2的浓度为0.8mol/l；

（2）在步骤（1）的混合溶液中逐滴加入naoh溶液，naoh溶液的浓度为1.5mol/l，滴加速度为1.5ml/min，naoh的物质的量按照cu(no3)2.3h2o和fe(no3)3.9h2o总物质的量的10倍进行添加，再依次超声10min、磁力搅拌15min，超声功率为400w，磁力搅拌器的搅拌转速为400转/min；

（3）在步骤（2）的溶液中滴加正丙醛后继续磁力搅拌至形成胶状悬浮液，正丙醛的滴加速度是4ml/min，磁力搅拌器的搅拌转速为400转/min，搅拌15min；添加的正丙醛的体积与cu(no3)2.3h2o和fe(no3)3.9h2o总物质的量的体积摩尔比l:mol为1:10；

（4）将步骤（3）的胶状悬浮液加入微波消解罐中，胶状悬浮液的填充率为35%，密封罐体后，微波加热至100℃，反应时间为2h，反应结束后，待罐体自然冷却至室温，打开罐体取出反应产物，反应产物洗涤依次使用去离子水、稀硝酸、无水乙醇离心清洗5次，然后在恒温烘箱中80℃干燥10h干燥后得到单相铜铁矿结构cufeo2微晶材料。

实施例2

一种快速制备单相铜铁矿结构cufeo2微晶材料的方法，具体步骤如下：

（1）将cu(no3)2.3h2o和fe(no3)3.9h2o按照摩尔比1:1加入去离子水中，在磁力搅拌器中充分搅拌15min溶解，磁力搅拌器的搅拌转速为300转/min，得到混合溶液，混合溶液中cu(no3)2的浓度为0.5mol/l；

（2）在步骤（1）的混合溶液中逐滴加入naoh溶液，naoh溶液的浓度为4mol/l，滴加速度为2.5ml/min，naoh的物质的量按照cu(no3)2.3h2o和fe(no3)3.9h2o总物质的量的4倍进行添加，再依次超声15min、磁力搅拌10min，超声功率为300w，磁力搅拌器的搅拌转速为450转/min；

（3）在步骤（2）的溶液中滴加正丙醛后继续磁力搅拌至形成胶状悬浮液，正丙醛的滴加速度是5ml/min，磁力搅拌器的搅拌转速为450转/min，搅拌10min；添加的正丙醛的体积与cu(no3)2.3h2o和fe(no3)3.9h2o总物质的量的体积摩尔比l:mol为2:10；

（4）将步骤（3）的胶状悬浮液加入微波消解罐中，胶状悬浮液的填充率为10%，密封罐体后，微波加热至150℃，反应时间为1h，反应结束后，待罐体自然冷却至室温，打开罐体取出反应产物，反应产物洗涤依次使用去离子水、稀硝酸、无水乙醇离心清洗6次，然后在恒温烘箱中60℃干燥12h干燥后得到单相铜铁矿结构cufeo2微晶材料。

实施例3

一种快速制备单相铜铁矿结构cufeo2微晶材料的方法，具体步骤如下：

（1）将cu(no3)2.3h2o和fe(no3)3.9h2o按照摩尔比1:1加入去离子水中，在磁力搅拌器中充分搅拌12min溶解，磁力搅拌器的搅拌转速为350转/min，得到混合溶液，混合溶液中cu(no3)2的浓度为0.6mol/l；

（2）在步骤（1）的混合溶液中逐滴加入naoh溶液，naoh溶液的浓度为2mol/l，滴加速度为2ml/min，naoh的物质的量按照cu(no3)2.3h2o和fe(no3)3.9h2o总物质的量的5倍进行添加，再依次超声12min、磁力搅拌12min，超声功率为350w，磁力搅拌器的搅拌转速为350转/min；

（3）在步骤（2）的溶液中滴加正丙醛后继续磁力搅拌至形成胶状悬浮液，正丙醛的滴加速度是4.5ml/min，磁力搅拌器的搅拌转速为350转/min，搅拌13min；添加的正丙醛的体积与cu(no3)2.3h2o和fe(no3)3.9h2o总物质的量的体积摩尔比l:mol为1.5:10；

（4）将步骤（3）的胶状悬浮液加入微波消解罐中，胶状悬浮液的填充率为20%，密封罐体后，微波加热至160℃，反应时间为0.5h，反应结束后，待罐体自然冷却至室温，打开罐体取出反应产物，反应产物洗涤依次使用去离子水、稀硝酸、无水乙醇离心清洗8次，然后在恒温烘箱中40℃干燥11h干燥后得到单相铜铁矿结构cufeo2微晶材料。

图1为实施例1-3所制备出的cufeo2微晶材料的x射线衍射图谱；图中横坐标为衍射角度，纵坐标为相对强度。从图中可以看出，均可以制备出单相cufeo2材料，对应标准衍射图谱编号为#75-2146，为3r结构的cufeo2。

图2为实施例1-3所制备出的cufeo2微晶材料的场发射扫描电镜图；从图中可以看出，反应温度的改变所制备出的cufeo2材料粒径并未发生明显变化，粒径约为2.5μm左右，微观形貌多为六方片状(截面为层状结构)，符合典型的铜铁矿材料晶体结构。