[發明專利]一種形貌可控的α型三氧化二鐵微納米材料的制備方法

有效

• 申請號: 201310477640.7
• 申請日: 2013-10-14
• 公開（公告）號: CN103508494A
• 公開（公告）日: 2014-01-15
• 發明（設計）人: 陳嶸;劉二濤;楊浩;呂中
• 申請（專利權）人: 武漢工程大學
• 主分類號: C01G49/06
• 分類號: C01G49/06;B82Y30/00
• 代理公司: 武漢科皓知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 汪俊鋒

技術領域

本發明屬于無機非金屬材料領域，具體涉及一種形貌可控的α型三氧化二鐵（α-Fe₂O₃）微納米材料的制備方法。

背景技術

α型三氧化二鐵微納米材料是一種環境友好型n型半導體，其帶隙寬度（E_g）為2.1eV，在可見光波長范圍內具有很強的光吸收性能，加之具有無毒、制備成本低廉、化學穩定性好等優點，已經被廣泛應用于氣敏元件、涂料、電子材料、磁記錄材料、催化劑、水處理劑以及生物醫學工程等方面。人們在研究中發現，不同形貌的α型三氧化二鐵微納米材料具有不同的功能，如α型三氧化二鐵納米棒可以作為光催化劑降解有機染料（羅丹明B）；α型三氧化二鐵納米管或微納米空心球可以制成靈敏的傳感器，檢測氫氣、乙醇、一氧化碳及其其他有毒氣體；海膽狀空心結構的α型三氧化二鐵納米材料表現較強的磁學性質；花狀多級結構或空心巢狀的α型三氧化二鐵微納米材料可以作為水處理劑吸附重金屬離子（Cr（VI），As（V）等）。

目前已報道的α型三氧化二鐵微納米材料形貌有很多，如納米顆粒、納米棒、納米線、納米帶、納米管、納米立方、多孔球和微納米花等。中國發明專利CN1226193C報道了三價鐵鹽的水溶液與經氨水皂化的環烷酸、異辛醇、磺化煤油組成的有機相混合，水熱反應制備得到α型三氧化二鐵納米顆粒。中國發明專利CN101928043B報道了將鐵氰化鉀溶液和氫氧化鈉溶液混合，然后在混合液中加入檸檬酸三鈉，水熱反應得到α型三氧化二鐵微米球。Wang等人將一定濃度的氯化鐵溶液和醋酸銨溶液混合，水熱反應得到α型三氧化二鐵立方塊[Cryst.Res.Technol.2011,46,209]。Zheng等人利用離子液體為模板，分別在CH₃COOK和NaOH體系中，合成得到了中空微球、微米立方體、多孔納米棒的α型三氧化二鐵[ACS?Nano.,2009,3,3749]。Yang等人也利用離子液體法為模板，合成了α型三氧化二鐵納米棒，納米立方和球形顆粒，合成中使用了有毒的鐵源五羰基合鐵和表面活性劑，同時需要萃取等復雜的步驟[Chem.Eng.J.,2009,147,71]。這些方法均存在一定缺陷，如有的方法只能合成一種形貌，有的合成過程需要使用有毒有害的化學試劑，并需要添加模板劑或表面活性劑才能調控納米材料的形貌。因而有必要發展簡單、綠色、可控和重復性好的方法，來制備不同形貌的α型三氧化二鐵微納米材料。

發明內容

本發明所要解決的技術問題在于提供一種形貌可控的α型三氧化二鐵微納米材料的制備方法。本發明方法通過簡單地調控加入鐵鹽的種類，合成不同形貌的α型三氧化二鐵微納米材料。

本發明的原理是：在晶體形成的過程中，不同陰離子選擇性地吸附在晶核和顆粒的表面，改變晶體的表面終止狀態和原子排列，而不同陰離子對三氧化二鐵晶面吸附能力的差異,導致晶體的各向異性生長，進而得到不同形貌和尺寸的α型三氧化二鐵。

本發明的目的通過以下步驟實現：

（1）分別配制一定濃度的鐵鹽水溶液和4-羥乙基哌嗪乙磺酸（HEPES）水溶液，將兩者混合攪拌均勻得到混合液；

（2）將步驟（1）中所得的混合液轉移至聚四氟乙烯內襯的不銹鋼反應釜中，升溫至120～180℃，反應6～20h；

（3）將步驟（2）中升溫反應后的產物冷卻至室溫，然后將反應體系中的溶液進行離心分離，沉淀物洗滌，熱處理后即得α型三氧化二鐵微納米材料。

在上述步驟（1）中，所述的鐵鹽為三氯化鐵，或為等摩爾的三氯化鐵與二價鐵鹽的混合物，其中每種鐵鹽的濃度為100～300mmol/L，體積為6～12mL；所述的HEPES水溶液濃度為50～200mmol/L，體積為9～32mL，所加的HEPES的物質的量與鐵鹽中三氯化鐵的物質的量相等。

在步驟（3）中，當鐵鹽為三氯化鐵或等摩爾的三氯化鐵與氯化亞鐵時，所述的熱處理為樣品在烘箱里的干燥過程；當鐵鹽為等摩爾的三氯化鐵與氯化亞鐵時，所述的熱處理為樣品在馬弗爐里的煅燒過程，溫度為300℃，時間為2～4h。

該方法所得到的α型三氧化二鐵微納米材料呈球形、多孔棒狀和立方塊狀，大小為10nm～1.8μm。

本發明方法，當鐵鹽使用三氯化鐵時，獲得的α型三氧化二鐵微納米材料為球形；當使用的鐵鹽為三氯化鐵和硫酸亞鐵時，獲得的α型三氧化二鐵微納米材料為多孔棒狀；當使用的鐵鹽為三氯化鐵和氯化亞鐵時，獲得的α型三氧化二鐵微納米材料為立方塊狀。