一种干态低温制备铁酸钴粉体的工艺方法

本发明涉及铁酸钴粉体技术领域，尤其涉及一种铁酸钴粉体的制备方法。

背景技术：

铁酸钴具有良好的催化、磁学、磁光及吸波性能，因而在催化合成、通信、航天科技、生物造影等领域具有广泛的应用，尤其是作为一种新型非金属磁性材料，其在无论是高频还是低频领域都占有独特地位，日益受到世界各国的重视。

铁酸钴传统上采用高温固相合成：该工艺将各金属前驱体混合后，经过高温煅烧(＞600℃)，在固相反应中合成，所得产物结晶度较高，但颗粒大小不一且能耗较高。新兴的机械合金化法主要利用高能球磨，虽然合成温度低，但难以形成单分散的磁性纳米晶；溶胶凝胶法能够获得粒径分布狭窄的纳米晶体，但需要精确控制水解速率以避免杂质的产生，因而难于实现工业化生产；水热法/溶剂热有利于获得高度晶化的单分散纳米晶体，然而反应时间较长，且安全性较差；微乳液法有利控制晶体形貌，但后处理困难，难于得到纯净产物。共沉淀法工艺简单，但所得粉体容易团聚导致颗粒大小不均。此外，这些新方法，除了高能球磨外，都需要对其中的有机物进行高温分解，从而引起环境污染。

因此，探寻简单可行、环境友好的新方法有利于丰富铁酸钴的制备技术，并为铁酸钴材料的工业化制备提供实际切实可行的操作手段。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种工艺简单、原料来源广泛、反应过程稳定、操作简便的干态低温制备铁酸钴粉体的方法，以克服现有技术合成铁酸钴中高温煅烧合成难以控制颗粒大小，或者液相条件下结晶度较低或存在杂质相的缺陷，从而简单、安全、环境友好地制备出铁酸钴粉体。

本发明的目的通过以下技术方案予以实现：

本发明提供的一种干态低温制备铁酸钴粉体的工艺方法，包括以下步骤：

(1)按照摩尔比铁源∶钴源＝0.6～2.5∶1，将钴源和铁源加入溶剂进行溶解，搅拌混合而得到均匀的溶液，经干燥得到混合粉体；

(2)将所述混合粉体在100～200℃、碱蒸汽环境中静置晶化反应16～72h，反应产物经离心分离、水洗、醇洗、干燥，即得到晶化的铁酸钴粉体。

上述方案中，本发明所述钴源和铁源分别为六水氯化钴和六水氯化铁，或六水硝酸钴和硝酸铁。所述步骤(1)中溶剂为水、乙醇、丙酮、苯中的一种或其组合，按照摩尔比钴源∶溶剂＝1∶50～600。

上述方案中，本发明所述步骤(2)碱蒸汽采用的碱溶液为氨水溶液、乙二胺水溶液、三乙胺水溶液、四丙级氢氧化铵水溶液、四丁基氢氧化铵水溶液中的一种或其组合；所述碱溶液的浓度≤5mol/l。按照体积质量比所述碱溶液∶混合粉体＝0.5～1.2ml∶0.1～1.5g。

进一步地，本发明所述步骤(2)的反应温度为120～180℃，反应时间为24～48h。所述晶化的铁酸钴粉体其粒径为10～120nm。

本发明具有以下有益效果：

(1)本发明将氯化铁和氯化钴的混合粉体、或硝酸铁和六水硝酸钴的混合粉体的制备与碱蒸汽处理合成铁酸钴晶体分开进行。在碱蒸汽处理过程中，碱溶液不以液态形式和混合粉体直接接触，而是通过高温蒸发形成的气相与干燥的混合粉体接触，使得铁酸钴晶化和产物纯度提高，并且在较低温度下进行，无需后续煅烧处理，从而在低温下获得了高度晶化的纯铁酸钴材料(饱和磁化强度＞18emu/g、剩余磁化强度＝2～40emu/g、矫顽力＝230～2250g)。

(2)本发明实现了低温固态合成铁酸钴粉体的制备，首次公开了一种低温干法制备铁酸钴粉体的制备手段，有效降低了高度晶化的铁酸钴粉体的合成温度，避免了高温合成时颗粒过分长大问题；同时，使铁酸钴的制备在干态下合成，避免了采用液相合成导致的低结晶度或杂质相难以消除的问题，从而为制备铁酸钴纳米材料提供了新的制备途径。

(3)本发明操作控制简单，所需关注的变量少，有利于大规模合成使用。

附图说明

下面将结合实施例和附图对本发明作进一步的详细描述：

图1是本发明实施例一制备的铁酸钴粉体的xrd图谱和磁吸附光学照片(a：xrd图谱；b：磁吸附照片)；

图2是本发明实施例二制备的铁酸钴粉体的xrd图谱和磁吸附光学照片(a：xrd图谱；b：磁吸附照片)；

图3是本发明实施例三制备的铁酸钴粉体的xrd图谱和sem照片(a：xrd图谱；b：sem照片)；

图4是本发明实施例四制备的铁酸钴粉体的xrd图谱和sem照片(a：xrd图谱；b：sem照片)。

具体实施方式

实施例一：

本实施例一种干态低温制备铁酸钴粉体的工艺方法，其步骤如下：

(1)在反应瓶中依次加入0.0020mol六水氯化钴、0.0041mol六水氯化铁、12ml水进行溶解混合，室温下搅拌2h得到均匀的溶液，随后在60℃温度下干燥后，得到混合粉体；

(2)将上述混合粉体在140℃、碱蒸汽环境中静置晶化反应24h，碱蒸汽采用的碱溶液为浓度2mol/l的氨水溶液，按照体积质量比碱溶液∶混合粉体＝1.1ml∶0.2g，反应产物经离心分离、水洗、醇洗、干燥，即得到晶化的铁酸钴粉体。

本实施例制备得到的铁酸钴粉体，如图1a所示，2θ对应峰值分别在35.3、62.6、57.0o，与铁酸钴晶体(pdf#03-0864)吻合，表明所得粉体为铁酸钴粉体。如图1b所示，所得粉体分散在水中后，通过磁棒可实现磁吸附。

实施例二：

本实施例一种干态低温制备铁酸钴粉体的工艺方法，其步骤如下：

(1)在反应瓶中依次加入0.0019mol六水氯化钴、0.0040mol六水氯化铁、15ml乙醇进行溶解混合，室温下搅拌2h得到均匀的溶液，随后在室温下自然挥发掉乙醇，在60℃温度下干燥后，得到混合粉体；

(2)将上述混合粉体在180℃、碱蒸汽环境中静置晶化反应16h，碱蒸汽采用的碱溶液为氨水、尿素和乙二胺的混合溶液(含氨1.5mol/l、尿素1mol/l、乙二胺0.6mol/l)，按照体积质量比碱溶液∶混合粉体＝1ml∶0.1g，反应产物经离心分离、水洗、醇洗、干燥，即得到晶化的铁酸钴粉体。

本实施例制备得到的铁酸钴粉体，如图2a所示，2θ对应峰值分别在35.2、62.6、57.1°，与铁酸钴晶体(pdf#03-0864)吻合，表明所得粉体为铁酸钴粉体。如图2b所示，所得粉体分散在水中后，通过磁棒可实现磁吸附。

实施例三：

本实施例一种干态低温制备铁酸钴粉体的工艺方法，其步骤如下：

(1)在反应瓶中依次加入0.0021mol六水氯化钴、0.0037mol六水氯化铁、10ml水进行溶解混合，室温下搅拌2h得到均匀的溶液，随后在60℃温度下干燥后，得到混合粉体；

(2)将上述混合粉体在140℃、碱蒸汽环境中静置晶化反应48h，碱蒸汽采用的碱溶液为氨水、乙二胺和四丁基氢氧化铵的混合溶液(含氨3mol/l、乙二胺0.2mol/l、四丁基氢氧化铵0.1mol/l)，按照体积质量比碱溶液∶混合粉体＝1.2ml∶0.12g，反应产物经离心分离、水洗、醇洗、干燥，即得到晶化的铁酸钴粉体。

本实施例制备得到的铁酸钴粉体，如图3a所示，2θ对应峰值分别在35.3、62.6、57.0o，与铁酸钴晶体(pdf#03-0864)吻合，表明所得粉体为铁酸钴粉体。如图3b所示，所得粉体颗粒大小均一，粒径为100～110nm。

实施例四：

本实施例一种干态低温制备铁酸钴粉体的工艺方法，其步骤如下：

(1)在反应瓶中依次加入0.0019mol六水氯化钴、0.0038mol六水氯化铁、8ml乙醇进行溶解混合，室温下搅拌2h得到均匀的溶液，随后在室温下自然挥发掉乙醇，在60℃温度下干燥后，得到混合粉体；

(2)将上述混合粉体在160℃、碱蒸汽环境中静置晶化反应30h，碱蒸汽采用的碱溶液为氨水和尿素的混合溶液(含氨3mol/l、尿素0.1mol/l)，按照体积质量比碱溶液∶混合粉体＝1.2ml∶0.3g，反应产物经离心分离、水洗、醇洗、干燥，即得到晶化的铁酸钴粉体。

本实施例制备得到的铁酸钴粉体，如图4a所示，2θ对应峰值分别在35.5、62.7、57.2°，与铁酸钴晶体(pdf#03-0864)吻合，表明所得粉体为铁酸钴粉体。如图3b所示，所得粉体颗粒大小均一，粒径为90～100nm。

本发明实施例制得的铁酸钴粉体，其vsm结果如表1所示。

表1本发明实施例制得到的铁酸钴粉体的vsm结果