一种制备α-Fe₂O₃纳米球的方法

专利名称：一种制备α-Fe₂O₃纳米球的方法
技术领域：
本发明属于化学工程技术，具体涉及一种制备a -Fe2O3纳米球的方法。
背景技术：
污水处理技术备受关注。随着纳米技术的发展，过渡金属氢氧化物和氧化物纳米材料用于环境监测和污染物控制的研究屡见报道。纳米材料的独特性质源于其富价态、大比表面和可变的电子结构。近年来，由分层纳米亚单元构成的三维纳米结构材料因为其特殊结构，在清除水体中的重金属离子和有机污染物方面表现出了良好的吸附性质，具有广泛的应用前景。因而控制形态合成出各种性能良好的三维纳米结构材料的相关研究方兴未艾。C1-Fe2O3是氧化铁的热力学最稳定相，被广泛应用于催化剂、色素、气体感应、能量存储等领域。近来出现了很多制备三维纳米结构的Q-Fe2O3作为吸附剂用于污水处理的研究。然而大多数制备方法涉及高温和长时间的化学反应，而且反应过程中往往用到有毒的有机溶剂或者导向剂作为模板，这些都限制了制得的三维纳米结构的a -Fe2O3在水处理方面的实际应用。探索一种绿色无污染、简单易行的三维纳米结构的Q-Fe2O3的合成方法，并能大规模制备，具有重要的现实意义。目前微波辅助水热合成技术在化学领域已得到广泛的应用。与传统加热方式相t匕，微波加热速度快且加热均匀，缩短了反应时间，节省了能源。本发明寻求用微波合成法，简单快速地制备a -Fe2O3三维纳米体。

发明内容
本发明针对上述问题，提供了一种制备a -Fe2O3纳米球的方法。为实现上述目的本发明采用的技术方案为:一种制备α -Fe 203纳米球的方法，I)以六水合三氯化铁(FeCl3WH2O)为铁源，尿素(CO(NH2)2)为氢氧根离子引发剂，将铁源与引发剂利用超声溶解于甘油和水组成的混合溶剂中，而后置于密闭条件下进行微波处理，在130-150°C进行微波处理20-50min ；其中，六水合三氯化铁与尿素摩尔比为1:1-1.5，铁源浓度为1.0-1.5mol/L，甘油和水体积比为1:2-9 ;2)将上述微波处理后产物自然冷却后离心，所得沉淀采用乙醇和水进行交替洗涤，洗涤后干燥，即得平均直径300-500nm、整体结构由尺寸约20_50nm的棒状纳米亚单元构成的Ct-Fe2O3纳米球。制备C1-Fe2O3纳米球的方法，I)以六水合三氯化铁(FeCl3.6H20)为铁源，尿素(CO(NH2)2)为氢氧根离子引发剂，将铁源与引发剂利用超声溶解于甘油和水组成的混合溶剂中，而后置于聚四氟乙烯反应 釜内密封放置，再将反应釜聚四氟乙烯内胆转移到微波反应器中在130-150°C进行微波处理25-30min ；
其中，六水合三氯化铁与尿素摩尔比为1:1-1.5，铁源浓度为1.0-1.5mol/L，甘油和水体积比为1:8-9 ;2)将上述微波处理后产物自然冷却后10000转/min离心30min，所得沉淀用乙醇和水交替洗涤，洗涤后于80°C干燥5h，即得到平均直径300-400nm的实心纳米球，其整体结构由尺寸20-50nm的棒状纳米亚单元构成的a -Fe2O3纳米球。制备Q-Fe2O3纳米球的方法，I)以六水合三氯化铁(FeCl3.6Η20)为铁源，尿素(CO(NH2)2)为氢氧根离子引发剂，将铁源与引发剂利用超声溶解于甘油和水组成的混合溶剂中，而后置于聚四氟乙烯反应釜内密封放置，再将反应釜聚四氟乙烯内胆转移到微波反应器中在140°C进行微波处理25-30min ；其中，六水合三氯化铁与尿素摩尔比为1:1-1.5，铁源浓度为1.0-1.5mol/L，甘油和水体积比为1:4-8 ;2)将上述微波处理后产物自然冷却后10000转/min离心30min，所得沉淀用乙醇和水交替洗涤，洗涤后于80°C干燥5h，即得到平均直径300-400nm的半实心纳米球，其整体结构由尺寸20-50nm的棒状纳米亚单元构成的a -Fe2O3纳米球。制备Q-Fe2O3纳米球的方 法，I)以六水合三氯化铁(FeCl3.6Η20)为铁源，尿素(CO(NH2)2)为氢氧根离子引发剂，将铁源与引发剂利用超声溶解于甘油和水组成的混合溶剂中，而后置于聚四氟乙烯反应釜内密封放置，再将反应釜聚四氟乙烯内胆转移到微波反应器中在140°C进行微波处理25-30min ；其中，六水合三氯化铁与尿素摩尔比为1:1-1.5，铁源浓度为1.0-1.5mol/L，甘油和水体积比为1:3-4 ;2)将上述微波处理后产物自然冷却后10000转/min离心30min，所得沉淀用乙醇和水交替洗涤，洗涤后于80°C干燥5h，即得到平均直径300-500nm的空心纳米球，其整体结构由尺寸30-50nm的棒状纳米亚单元构成的a -Fe2O3纳米球。本发明所具有的优点:1.本发明利用尿素的缓慢水解提供了反应中所需的持续低浓度的0Η—，与体系中的Fe3+结合后在反应体系中迅速转变为a-Fe203。2.本发明合成过程中合适体积比的甘油/水混合溶剂可自聚形成规整的准微乳球不均相体系，作为a-Fe2O3晶粒沉积的软模板。在洗涤干燥过程中微乳球萃洗掉可得完整的空心纳米球体。3.本发明利用廉价无毒的甘油/水为溶剂，避免了有毒有机试剂的使用，同时微波法相比传统加热法具有反应时间更短、节约能源、环保的特点。4.本发明制备所得纳米球通过X射线衍射图(XRD)，扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)等表征，表明不同比例甘油/水混合溶液水热反应后得到的a -Fe2O3呈现出不同的球状结构。本发明中的空心a-Fe2O3纳米球对As (V)和Cr(VI)重金属离子以及刚果红有很好的吸附作用。


图1为本发明实施例提供的a -Fe2O3纳米球的X射线衍射图(XRD)。图2为本发明实施例提供的a -Fe2O3纳米球的扫描电镜(SEM)图。
图3为本发明实施例提供的a -Fe2O3实心纳米球的透射电镜(TEM)图。图4为本发明实施例提供的a -Fe2O3半实心纳米球透射电镜(TEM)图。图5为本发明实施例提供的a -Fe2O3空心纳米球透射电镜(TEM)图。图6为本发明应用例提供的a -Fe2O3空心纳米球对重金属离子的吸附效率图。图7为本发明应用例提供的a -Fe2O3空心纳米球对不同初始浓度的重金属离子的吸附平衡图。图8本发明应用例提供的a -Fe2O3空心纳米球对刚果红的吸附效率图。
具体实施例方式a -Fe2O3 纳米球:I)以六水合三氯化铁(FeCl3WH2O)为铁源，尿素(CO(NH2)2)为氢氧根离子引发剂，将铁源与引发剂利用超声溶解于甘油和水组成的混合溶剂中，而后置于密闭条件下进行微波处理，在130-150°C进行微波处理20-50min ；其中，六水合三氯化铁与尿素摩尔比为1:1-1.5，铁源浓度为1.0-1.5mol/L，甘油和水体积比为1:2-9 ;2)将上述微波处理后产物自然冷却后离心，所得沉淀采用乙醇和水进行交替洗涤，洗涤后干燥，即得平均直径300-500nm、整体结构由尺寸约20_50nm的棒状纳米亚单元构成的Ct-Fe2O3纳米球。 由上述图1可知XRD谱图在20-70°范围的所有特征峰位置和峰强与JCPDS谱图库中N0.33-0664所示a -Fe2O3很好地吻合，由图2中可见纳米球平均直径约300_500nm，纳米球整体结构由尺寸约20-50nm的棒状纳米亚单元构成。实施例1I)以六水合三氯化铁(FeCl3.6H20)为铁源，尿素(CO(NH2)2)为氢氧根离子引发齐U，二者摩尔比为1:1，将铁源与引发剂利用超声溶解于甘油和水组成的混合溶剂中。其中铁源浓度为l.0mol/L，甘油和水体积比为1:9。将该混合溶液置于聚四氟乙烯反应釜密封，转移到微波反应器，在150°C温度下进行微波处理30min。2)将上述微波处理后产物自然冷却后10000转/min离心30min，所得沉淀用乙醇和水交替洗涤，洗涤后于80°C干燥5h，即得到平均直径300-350nm的实心纳米球，其整体结构由尺寸20-50nm的棒状纳米亚单元构成,如图3所示。由图3清晰可见其实心结构并且平均直径300_350nm。实施例2I)以六水合三氯化铁(FeCl3.6H20)为铁源，尿素(CO(NH2)2)为氢氧根离子引发齐U，二者摩尔比为1:1，将铁源与引发剂利用超声溶解于甘油和水组成的混合溶剂中。其中铁源浓度为l.0mol/L，甘油和水体积比为1:6。将该混合溶液置于聚四氟乙烯反应釜密封，转移到微波反应器，在140°C进行微波处理30min。2)将上述微波处理后产物自然冷却后10000转/min离心30min，所得沉淀用乙醇和水交替洗涤，洗涤后于80°C干燥5h，即得到平均直径350-400nm的半实心纳米球，其整体结构由尺寸20-50nm的棒状纳米亚单元构成,如图4所示。由图4清晰可见其半实心结构，并且平均直径350_400nm，其整体结构由尺寸20-50nm的棒状纳米亚单元构成。实施例3I)以六水合三氯化铁(FeCl3.6H20)为铁源，尿素(CO(NH2)2)为氢氧根离子引发齐IJ，二者摩尔比为1:1.5，将铁源与引发剂利用超声溶解于甘油和水组成的混合溶剂中。其中铁源浓度为l.0mol/L，甘油和水体积比为1:3。将该混合溶液置于聚四氟乙烯反应釜密封，转移到微波反应器，在140°C进行微波处理30min。2)将上述微波处理后产物自然冷却后10000转/min离心30min，所得沉淀用乙醇和水交替洗涤，洗涤后于80°C干燥5h，即得到平均直径300-400nm的空心纳米球，空心球壳厚约60nm。其整体结构由尺寸30-50nm的棒状纳米亚单元构成,如图5所示。由图5清晰可见其空心结构，并且平均直径300_400nm，其整体结构由尺寸30-50nm的棒状纳米亚单元构成。应用例I) a -Fe2O3空心纳米球对As (V)和Cr (VI)离子的吸附。取15mg上述实施例3所得a -Fe2O3空心纳米球置于30mL初始浓度为40mg/L的重金属离子溶液中，室温下搅拌IOh后在15000转/min条件下离心20min，过滤。用ICP-OES测定滤液中残余重金属离子含量。然后据公式(I)、(2)分别计算出a-Fe2O3空心纳米球对As (V)和Cr(VI)离子的吸附容量和吸附率(见表I)。2) a -Fe2O3空心纳米球对刚果红的吸附。取30mg上述实施例3所得空心纳米球置于50mL初始浓度为100mg/L的刚果红溶液中。室温下搅拌IOh后在15000转/min条件下离心20min，过滤。用紫外可见光谱仪测定滤液中残余刚果红 含量。然后可计算然后据公式(1)、(2)分别计算出C1-Fe2O3空心纳米球对刚果红的吸附容量和吸附率(见表I)。qe= (C0-Ce) V/W⑴Remova I % = (C0-Ce) /C0 (2)其中，qe为达到吸附平衡时的吸附容量(mg/g)，C0为有害物质的初始浓度(mg/L)，Ce为达吸附平衡时溶液中有害物质的浓度(mg/L)，V为溶液体积(L)，W为a -Fe2O3空心纳米球的使用质量(g)。表I a -Fe2O3空心纳米球对As (V)和Cr (VI)离子及刚果红的吸附活性
权利要求
1.一种制备C1-Fe2O3纳米球的方法，其特征在于: O以六水合三氯化铁(FeCl3.6H20)为铁源，尿素(CO(NH2)2)为氢氧根离子引发剂，将铁源与引发剂利用超声溶解于甘油和水组成的混合溶剂中，而后置于密闭条件下进行微波处理，在130-150°C进行微波处理20-50min ； 其中，六水合三氯化铁与尿素摩尔比为1:1-1.5，铁源浓度为1.0-1.5mol/L，甘油和水体积比为1:2-9 ; 2)将上述微波处理后产物自然冷却后离心，所得沉淀采用乙醇和水进行交替洗涤，洗涤后干燥，即得平均直径300-500nm、整体结构由尺寸约20_50nm的棒状纳米亚单元构成的a -Fe2O3纳米球。
2.按权利要求1所述的制备a-Fe2O3纳米球的方法，其特征在于: O以六水合三氯化铁(FeCl3.6Η20)为铁源，尿素(CO(NH2)2)为氢氧根离子引发剂，将铁源与引发剂利用超声溶解于甘油和水组成的混合溶剂中，而后置于聚四氟乙烯反应釜内密封放置，再将反应釜聚四氟 乙烯内胆转移到微波反应器中在130-150°C进行微波处理25_30min ； 其中，六水合三氯化铁与尿素摩尔比为1:1-1.5，铁源浓度为1.0-1.5mol/L，甘油和水体积比为1:8-9 ; 2)将上述微波处理后产物自然冷却后10000转/min离心30min，所得沉淀用乙醇和水交替洗涤，洗涤后于80°C干燥5h，即得到平均直径300-400nm的实心纳米球，其整体结构由尺寸20-50nm的棒状纳米亚单元构成的a -Fe2O3纳米球。
3.按权利要求1所述的制备a-Fe2O3纳米球的方法，其特征在于: O以六水合三氯化铁(FeCl3.6Η20)为铁源，尿素(CO(NH2)2)为氢氧根离子引发剂，将铁源与引发剂利用超声溶解于甘油和水组成的混合溶剂中，而后置于聚四氟乙烯反应釜内密封放置，再将反应釜聚四氟乙烯内胆转移到微波反应器中在140°C进行微波处理25_30min ； 其中，六水合三氯化铁与尿素摩尔比为1:1-1.5，铁源浓度为1.0-1.5mol/L，甘油和水体积比为1:4-8 ; 2)将上述微波处理后产物自然冷却后10000转/min离心30min，所得沉淀用乙醇和水交替洗涤，洗涤后于80°C干燥5h，即得到平均直径300-400nm的半实心纳米球，其整体结构由尺寸20-50nm的棒状纳米亚单元构成的a -Fe2O3纳米球。
4.按权利要求1所述的制备a-Fe2O3纳米球的方法，其特征在于: O以六水合三氯化铁(FeCl3.6Η20)为铁源，尿素(CO(NH2)2)为氢氧根离子引发剂，将铁源与引发剂利用超声溶解于甘油和水组成的混合溶剂中，而后置于聚四氟乙烯反应釜内密封放置，再将反应釜聚四氟乙烯内胆转移到微波反应器中在140°C进行微波处理25_30min ； 其中，六水合三氯化铁与尿素摩尔比为1:1-1.5，铁源浓度为1.0-1.5mol/L，甘油和水体积比为1:3-4 ； 2)将上述微波处理后产物自然冷却后10000转/min离心30min，所得沉淀用乙醇和水交替洗涤，洗涤后于80°C干燥5h，即得到平均直径300-500nm的空心纳米球，其整体结构由尺寸30-50nm的棒状纳米亚单元构成的a -Fe2O3纳米球。
全文摘要
本发明属于化学工程技术，具体涉及一种制备α-Fe2O3纳米球的方法。具体以六水合三氯化铁(FeCl3·6H2O)为铁源，尿素(CO(NH2)2)为氢氧根离子引发剂，将铁源与引发剂利用超声溶解于甘油和水组成的混合溶剂中，而后置于密闭条件下进行微波处理，在120-160℃进行微波处理20-50min；将微波处理后产物自然冷却后离心，所得沉淀采用乙醇和水进行交替洗涤，洗涤后干燥，即得平均直径300-500nm、整体结构由尺寸约20-50nm的棒状纳米亚单元构成的α-Fe2O3纳米球。本发明利用廉价无毒的甘油/水为溶剂，避免了有毒有机试剂的使用，同时微波法相比传统加热法具有反应时间更短、节约能源、环保的特点。
文档编号B82Y30/00GK103073065SQ20121032313
公开日2013年5月1日 申请日期2012年9月4日 优先权日2012年9月4日
发明者李鹏程, 魏振华, 邢荣娥, 刘松, 于华华, 秦玉坤, 李荣峰, 李克成, 李冰, 王雪芹 申请人:中国科学院海洋研究所