一种由铁制备功能性的微纳结构枝状α-Fe基材料的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种α-Fe功能材料的制备方法。
【背景技术】
[0002]铁是应用最为广泛的金属，铁在各行各业中都有不可或缺的作用，铁路、汽车、飞机、船舶等交通工具，房屋、桥梁、道路等建筑设施以及生活中的各种小工具都能看见铁的存在。在2014年我国钢材总产量达11.26亿吨，达到了世界钢产量的一半左右。可以发现钢铁是价廉、易得、实用性广的一种金属。同时钢铁资源的回收利用也占据了较大比例，在过去的十年间，钢铁的回收达到四分之一，回收得到的铁往往是通过重新冶炼，得到新的钢材，钢铁重炼成本高且有污染。将粗铁、废铁经简单处理得到高附加值的产品，是一个非常有意义的研究方向。
[0003]当材料达到纳米级时，将具有与普通材料不同的光、电、磁、热、力学、机械等性能，铁的纳米材料在催化、污水治理、微电子等领域具有广泛的应用。在催化方面，以纳米铁为基体合成纳米材料广泛应用于有机物降解、光催化制氢等领域；污水治理方面，纳米铁不仅可以应用于降解有机物还可以去除污水中的重金属粒子，是一种优异的治污材料，现阶段纳米铁治理污水的水平已成为一些国家评价治水处理水平的一个指标；纳米铁还具有优异的吸波性能，由于纳米级的材料具有大的表面积，使材料与电磁波接触的面积成倍扩大。
[0004]将废铁、粗铁制备成纳米级或微纳结构的铁可以使铁的附加值成倍增加，同时也解决了钢铁资源浪费的问题。纳米铁的制备方法主要包括物理方法和化学法。物理方法包括高能机械球磨法和离子溅射法等方法，物理方法操作简单，是得到产品纯度不高、设备成本高；化学方法包括溶胶-凝胶法、化学还原法、微乳液法、电沉积法等，化学方法制备的产品纯度高，设备简单。但是溶胶-凝胶法、化学还原法、微乳液法往往需要准备复杂的前驱体，技术要求较高。传统电沉积为了使镀液稳定，镀液成分往往比较复杂。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是要解决现有废铁回收成本高且有污染和现有制备纳米级铁的工艺复杂，成本高，产品纯度低的问题，而提供一种由铁制备功能性的微纳结构枝状α -Fe基材料的方法。
[0006]—种由铁制备功能性的微纳结构枝状α -Fe基材料的方法是按以下方法制备的:
[0007]一、取一套反应装置:
[0008]反应装置由两个铁阳极、第一导线、第二导线、直流电源、电解槽、铜阴极、第三导线、冷却水出口、冷却水入口和冷却槽组成；
[0009]所述的两个铁阳极和铜阴极均设置在电解槽中，且铜阴极设置在两个铁阳极中间；电解槽的外部设有冷却槽，冷却槽的一侧下端设有冷却水入口，冷却槽的另一侧上端设有冷却水出口 ；直流电源的正极通过第二导线与铜阴极连接；直流电源的负极通过第三导线与两个铁阳极中一个铁阳极连接，两个铁阳极之间采用第一导线连接；
[0010]所述的电解槽的材质为有机玻璃；
[0011]所述的冷却槽的材质为有机玻璃；
[0012]二、配置电解液:将铁盐、无水乙醇和水混合，再在搅拌速度为500r/min?1500r/min的条件下搅拌Imin?5min，得到电解液；
[0013]步骤二中所述的铁盐为七水合硫酸亚铁；
[0014]步骤二中所述的铁盐的浓度为20g/L?60g/L ；
[0015]步骤二中所述的无水乙醇的浓度为50mL/L?60ml/L ；
[0016]三、制备金属粉体:
[0017]将步骤二中得到的电解液加入到电解槽中，将冷却水入口与自来水相接通，自来水通过冷却水入口进入到冷却槽中，再从冷却水出口中流出；接通直流电源，在铜阴极的表面电流密度为5A/cm2?20A/cm2和电解液的温度为20°C?35°C下进行反应，每隔1s?40s停止反应，取出铜阴极，收集铜阴极上得到的金属粉体；再将铜阴极放入电解槽中继续反应，得到收集的金属粉体；
[0018]四、清洗干燥:
[0019]分别使用去离子水和无水乙醇对步骤三中收集的金属粉体清洗3次?5次，得到清洗后的金属粉体；将清洗后的金属粉体在温度为60°C?70°C的真空干燥箱中干燥2h?3h，得到功能性的微纳结构枝状α -Fe基材料。
[0020]本发明步骤一中所述的两个铁阳极为废弃或使用过的钢铁，是按以下方法进行前处理的:将废弃或使用过的钢铁进行打磨，去除表面的铁锈，得到表面光滑的钢铁；使用去离子水对表面光滑的废弃或使用过的钢铁进行清洗3次?5次，再使用电吹风进行吹干，再进行剪裁，得到尺寸相同的两个铁阳极。
[0021]本发明的原理:
[0022]阳极区:
[0023]在外电流作用下铁阳极溶解，钢铁中的铁失去电子，生成Fe'阳极区发生反应为:
[0024]Fe_2e — Fe2+;
[0025]阴极区:
[0026]阴极区反应主要分为两个过程，反应初始，由于阳极溶解中生成的Fe2+较少，不能满足反应需求，因此最初由溶液中的Fe2+向阴极移动，在阴极区得到两个电子，在阴极上沉积；随着反应进行，溶液中的Fe2+主要来自于阳极区溶解得到的Fe'在电场作用下，阳极区溶解得到的Fe2+向阴极移动，在铜阴极表面析出铁，同时还伴随着少量析氢反应，阴极区发生的反应为:
[0027]Fe2++2e — Fe ；
[0028]2H++2e — H2;
[0029]从标准电极电位看，H+的还原反应比较容易发生，但由于溶液中H+的浓度小，过电势较大，溶液为二价铁溶液，溶液中的Fe2+最初来源于溶液中的硫酸亚铁，随着反应的进行，溶液中的铁由阳极溶解得到的Fe2+来补充，因此在此过程中Fe 2+浓度保持较大，Fe 2+的活度远大于H+，因此，大量的Fe2+得到2个电子还原为Fe而沉积在铜阴极上。
[0030]本发明的优点:
[0031]—、本发明使用废弃钢铁为阳极，使废弃钢铁得到利用，解决了钢铁浪费的问题；
[0032]二、本发明将普通的钢铁转化为枝状α -Fe，枝状α -Fe具有各种优异性能，在各个领域应用广泛；
[0033]三、本发明将废弃钢铁作为Fe2+来源，使用了少量的二价铁盐，相较于使用大量二价铁盐溶液成本降低了 70%?85% ;
[0034]四、本发明加入冷却槽，使溶液维持在一定温度，可以使反应持续进行；相对于高浓度Fe'反应一段时间后Fe2+被氧化Fe 3+，此时析氢反应占据主导，反应不能进行；本发明中的Fe2+来源于铁溶解，并能较快的移动到阴极区，Fe 2+氧化Fe 3+较少，可以使反应持续进行；
[0035]五、本发明制备的功能性的微纳结构枝状α -Fe基材料的主干为4μπι?8μπι，旁边枝部分为纳米级别；
[0036]六、多级结构纳米铁基材料在催化、污水治理、微电子等领域更具有优势；纳米铁还具有优异的吸波性能，将0.14g本发明制备的功能性的微纳结构枝状α-Fe基材料与0.06g固体石蜡混合，在80°C下制取吸波样品；吸波样品厚度为1.5mm时，频宽为2.33GHz ；吸波样品厚度为2mm时，频宽为2.30GHz ;吸波样品厚度为3mm时，频宽为2.18GHz ;吸波样品厚度为3.5mm时，频宽为1.88GHz ;吸波样品厚度为4mm时，总频宽为3.31GHz，此时具有两个峰；厚度为4.5mm时，总频宽为3.10GHz，具有两个峰。
[0037]本发明可获得一种由铁制备功能性的微纳结构枝状α-Fe基材料的方法。
【附图说明】
[0038]图1为【具体实施方式】一所述的反应装置的结构示意图；
[0039]图2为实施例一制备的功能性的微纳结构枝状α-Fe基材料的XRD衍射谱图；
[0040]图3为实施例一制备的功能性的微纳结构枝状α -Fe基材料的SEM图；
[0041]图4为吸波样品的吸波性能图，图4中I为吸波样品厚度为1.5mm时的吸波性能曲线；2为吸波样品厚度为2mm时的吸波性能曲线；3为吸波样品厚度为3mm时的吸波性能曲线；4为吸波样品厚度为3.5mm时的吸波性能曲线；5为吸波样品厚度为4mm时的吸波性能曲线；6为吸波样品厚度为4.5mm时的吸波性能曲线。
【具体实施方式】
[0042]【具体实施方式】一:本实施方式是一种由铁制备功能性的微纳结构枝状α -Fe基材料的方法是按以下方法制备的:
[0043]一、取一套反应装置:
[0044]反应装置由两个铁阳极1、第一导线2、第二导线3、直流电源4、电解槽5、铜阴极6、第三导线7、冷却水出口 8、冷却水入口 9和冷却槽10组成；
[0045]所述的两个铁阳极I和铜阴极6均设置在电解槽5中，且铜阴极6设置在两个铁阳极I中间；电解槽5的外部设有冷却槽10，冷却槽10的一侧下端设有冷却水入口 9，冷却槽10的另一侧上端设有冷却水出口 8 ;直流电源4的正极通过第二导线3与铜阴极6连接；直流电源4的负极通过第三导线7与两个铁阳极I中一个铁阳极I连接，两个铁阳极I之间采用第一导线2连接；
[0046]所述的电解槽5的材质为有机玻璃；
[0047]所述的冷却槽10的材质为有机玻璃；
[0048]二、配置电解液:将铁盐、无水乙醇和水混合，再在搅拌速度为500r/min?1500r/min的条件下搅拌Imin?5min，得到电解液；
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