一種球狀四氧化三鐵的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及納米材料制備領(lǐng)域，尤其是一種利用溶劑熱合成法合成球狀四氧化三鐵納米粒子的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]四氧化三鐵是一種重要的尖晶石型鐵氧體，具有優(yōu)異的導(dǎo)電性，同時(shí)又是一種常用的磁性材料，是一種新型無機(jī)材料，由于其在光、電、磁等方面具有其他材料無可比擬的特殊性能和新用途，在國(guó)防、環(huán)境工程、化工等領(lǐng)域，具有廣泛的應(yīng)用。由于四氧化三鐵具有優(yōu)異的磁學(xué)性能，同時(shí)又有高的折射率和高的襯度，所以經(jīng)常被用在光子晶體顯示領(lǐng)域。
[0003]目前，四氧化三鐵的合成方法有多種，如熱分解法、聲化學(xué)法、溶劑熱法、共沉淀法、燃燒合成法等。盡管四氧化三鐵的制備研究已經(jīng)取得很大進(jìn)步，但都存在不足之處。目前，合成四氧化三鐵主要是應(yīng)用溶劑熱法合成。主要有兩種:一種是通過溶液反應(yīng)，在溶劑熱條件下得到球狀四氧化三鐵粒子(一種球狀四氧化三鐵的制備方法，申請(qǐng)?zhí)?201110211273.7)。這種方法制備出的粒子粒徑比較大，很難制備出200nm以下粒徑均勻的四氧化三鐵粒子，并且制備出的四氧化三鐵粒子極容易團(tuán)聚，分散性較差。另一種是在氮?dú)鈿夥毡Ｗo(hù)下，溶劑熱條件下，得到球狀四氧化三鐵粒子(Angew.Chem.1nt.Ed.2007, 46，4342-4345)。這種方法雖然能制備出小粒徑的粒子但是其工藝比較復(fù)雜，需要?dú)夥毡Ｗo(hù)，在大規(guī)模應(yīng)用方面受到了限制。所以制備小粒徑的四氧化三鐵納米粒子仍是研究的熱點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明提供了一種球狀四氧化三鐵的制備方法，該制備方法不需要使用惰性氣體保護(hù)，操作簡(jiǎn)單，并且得到的產(chǎn)品粒徑較小且粒徑分布均勻。
[0005]—種球狀四氧化三鐵的制備方法，包括以下步驟:
[0006](I)將二水合檸檬酸三鈉溶于乙二醇中得到溶液A ;
[0007](2)將氯化高鐵加入到乙二醇中，充分溶解后得到溶液B ;
[0008](3)向步驟⑴得到的溶液A中加入無水乙酸鈉和去離子水，充分溶解后得到溶液C；
[0009](4)將步驟⑵中所配制的溶液B加入步驟(3)中所配制的溶液C中，在攪拌作用下，充分混合得到溶液D ;
[0010](5)將步驟(4)中所配制的溶液D密封放置于高壓反應(yīng)釜中，機(jī)械攪拌，在加熱條件下進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)結(jié)束后，經(jīng)過分離、洗滌得到所述的球狀四氧化三鐵。
[0011]本發(fā)明的制備方法操作簡(jiǎn)單，僅需要經(jīng)過簡(jiǎn)單的溶解、混合和加熱操作，整個(gè)操作過程都直接在空氣中進(jìn)行，操作簡(jiǎn)單；并且得到的四氧化三鐵的粒徑在200nm以下，并且粒徑均勻，具有良好的形貌，可以應(yīng)用于化工、環(huán)境、電子及半導(dǎo)體等領(lǐng)域，尤其適用于光子晶體顯示材料領(lǐng)域。本發(fā)明將氯化高鐵的乙二醇溶液B與溶液C混合，得到棕黑色澄清溶液，而不是將將氯化高鐵固體直接加入到C溶液中，這樣氯化高鐵可以與乙酸鈉、水均勻的反應(yīng)，得到形貌好、粒徑均勻的四氧化三鐵粒子。
[0012]作為優(yōu)選，步驟⑴中，二水合檸檬酸三鈉在溶液A中的濃度為5g/L?40g/L。
[0013]作為優(yōu)選，步驟(I)中，二水合檸檬酸三鈉在50 °C?120°C的溫度下加熱溶于乙二醇中。
[0014]作為優(yōu)選，步驟(2)中，氯化高鐵在溶液B中的濃度為25g/L?125g/L。
[0015]在本發(fā)明中去離子水主要影響粒子的成核，加入不同質(zhì)量比的無水乙酸鈉與去離子水，可以得到不同粒徑的四氧化三鐵納米粒子。作為優(yōu)選，步驟(3)中，加入的無水乙酸鈉與去離子水的質(zhì)量比為1:0.1?1:3，溶液C中無水乙酸鈉的濃度為40g/L?160g/L。隨著去離子水的比例加大，粒徑基本上呈逐漸減小的趨勢(shì)，作為進(jìn)一步的優(yōu)選，加入的無水乙酸鈉與去離子水的質(zhì)量比為1:0.5?1:1，在此范圍內(nèi)粒子分散性較好、粒徑均勻，大于此范圍粒子團(tuán)聚嚴(yán)重，小于此范圍，粒徑不均勻。
[0016]作為優(yōu)選，步驟(5)中，反應(yīng)溫度為160°C?220°C，反應(yīng)時(shí)間為2?1h ;在本發(fā)明中溫度影響反應(yīng)速率以及核生長(zhǎng)，此條件下反應(yīng)充分，可以得到良好形貌、粒徑均勻的粒子；作為進(jìn)一步的優(yōu)選。反應(yīng)溫度為200°C，反應(yīng)時(shí)間為10h。
[0017]同現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)勢(shì)在于反應(yīng)時(shí)間短、成本低廉、工藝簡(jiǎn)單并且能制備出小粒徑、分散性好、粒徑均一、大小可控的球狀四氧化三鐵納米粒子。由于其良好的形貌、大小均一可控，其在化工、環(huán)境、電子及半導(dǎo)體等領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛，并且其粒徑較小，尤其適用于光子晶體顯示材料領(lǐng)域。
【附圖說明】
[0018]圖1為實(shí)施例1所制備的球狀四氧化三鐵粒子的掃描電子顯微鏡(SEM)照片；
[0019]圖2為對(duì)比實(shí)施例1所制備的球狀四氧化三鐵粒子的掃描電子顯微鏡(SEM)照片;
[0020]圖3為對(duì)比實(shí)施例2所制備的球狀四氧化三鐵粒子的掃描電子顯微鏡(SEM)照片;
[0021]圖4為實(shí)施例2所制備的球狀四氧化三鐵粒子的掃描電子顯微鏡(SEM)照片。
【具體實(shí)施方式】
[0022]實(shí)施例1
[0023]按照制備過程進(jìn)行，在常溫常壓下將6.36g 二水合檸檬酸三鈉溶于400ml乙二醇中，攪拌，得到澄清溶液，記為溶液A。同時(shí)，將16.38g氯化高鐵溶于200ml乙二醇中，得到澄清溶液，記為溶液B。將質(zhì)量比為1:0.7的無水乙酸鈉(30g)和去離子水(21g)加入溶液A中，攪拌至完全溶解得到溶液C。然后將溶液B加入溶液C中，攪拌使其充分混合得到棕黑色澄清溶液D。將該棕黑色澄清溶液D放置于容積為IL的高溫高壓反應(yīng)釜中，設(shè)置溫度為200°C，并在該溫度下反應(yīng)10h。待反應(yīng)結(jié)束后將得到的混合溶液進(jìn)行分離。將得到的黑色固體用去離子水和無水乙醇清洗數(shù)次，即可分到產(chǎn)品球狀四氧化三鐵納米粒子。
[0024]對(duì)得到的球狀四氧化三鐵納米粒子進(jìn)行掃描電鏡觀察，結(jié)果參見圖1，由圖1可知，產(chǎn)物直徑為lOOnm，用動(dòng)態(tài)光散射粒度分析儀進(jìn)行粒度分析，PDI指數(shù)為0.082。
[0025]對(duì)比實(shí)施例1
[0026]按照制備過程進(jìn)行，在常溫常壓下將6.36g 二水合檸檬酸三鈉溶于400ml乙二醇中，攪拌，得到澄清溶液，記為溶液A。同時(shí)，將16.38g氯化高鐵溶于200ml乙二醇中，得到澄清溶液，記為溶液B。將質(zhì)量比為1:3的無水乙酸鈉(30g)和去離子水(90g)加入溶液A中，攪拌至完全溶解得到溶液C。然后將溶液B加入溶液C中，攪拌使其充分混合得到棕黑色澄清溶液D。將該棕黑色澄清溶液D放置于容積為IL的高溫高壓反應(yīng)釜中，設(shè)置溫度為200°C，并在該溫度下反應(yīng)10h。待反應(yīng)結(jié)束后將得到的混合溶液進(jìn)行分離。將得到的黑色固體用去離子水和無水乙醇清洗數(shù)次，即可分到產(chǎn)品。
[0027]對(duì)所述球狀四氧化三鐵納米粒子進(jìn)行掃描電鏡觀察，結(jié)果參考圖2，由圖2可知，產(chǎn)物直徑為50nm，并且粒子團(tuán)聚比較嚴(yán)重。
[0028]對(duì)比實(shí)施例2
[0029]按照制備過程進(jìn)行，在常溫常壓下將6.36g 二水合檸檬酸三鈉溶于400ml乙二醇中，攪拌，得到澄清溶液，記為溶液A。同時(shí)，將16.38g氯化高鐵溶于200ml乙二醇中，得到澄清溶液，記為溶液B。將質(zhì)量比為1:0.1的無水乙酸鈉(30g)和去離子水(3g)加入溶液A中，攪拌至完全溶解得到溶液C。然后將溶液B加入溶液C中，攪拌使其充分混合得到棕黑色澄清溶液D。將該棕黑色澄清溶液D放置于容積為IL的高溫高壓反應(yīng)釜中，設(shè)置溫度為200°C，并在該溫度下反應(yīng)10h。待反應(yīng)結(jié)束后將得到的混合溶液進(jìn)行分離。將得到的黑色固體用去離子水和無水乙醇清洗數(shù)次，即可分到產(chǎn)品。
[0030]對(duì)所述球狀四氧化三鐵納米粒子進(jìn)行掃描電鏡觀察，結(jié)果參見圖3，由圖3可知，產(chǎn)物直徑為240nm，用動(dòng)態(tài)光散射粒度分析儀進(jìn)行粒度分析，PDI指數(shù)為0.241。
[0031]實(shí)施例2
[0032]按照制備過程進(jìn)行，在常溫常壓下將6.36g 二水合檸檬酸三鈉溶于400ml乙二醇中，攪拌，得到澄清溶液，記為溶液A。同時(shí)，將16.38g氯化高鐵溶于200ml乙二醇中，得到澄清溶液，記為溶液B。將質(zhì)量比為1:0.5的無水乙酸鈉(30g)和去離子水(15g)加入溶液A中，攪拌至完全溶解得到溶液C。然后將溶液B加入溶液C中，攪拌使其充分混合得到棕黑色澄清溶液D。將該棕黑色澄清溶液D放置于容積為IL的高溫高壓反應(yīng)釜中，設(shè)置溫度為200°C，并在該溫度下反應(yīng)10h。待反應(yīng)結(jié)束后將得到的混合溶液進(jìn)行分離。將得到的黑色固體用去離子水和無水乙醇清洗數(shù)次，即可分到產(chǎn)品。
[0033]對(duì)所述球狀四氧化三鐵納米粒子進(jìn)行掃描電鏡觀察，結(jié)果參見圖4，由圖4可知，產(chǎn)物直徑為120nmo
[0034]實(shí)施例3
[0035]按照制備過程進(jìn)行，在常溫常壓下將6.36g 二水合檸檬酸三鈉溶于400ml乙二醇中，攪拌，得到澄清溶液，記為溶液A。同時(shí)，將16.38g氯化高鐵溶于200ml乙二醇中，得到澄清溶液，記為溶液B。將質(zhì)量比為1:0.3的無水乙酸鈉(30g)和去離子水(9g)加入溶液A中，攪拌至完全溶解得到溶液C。然后將溶液B加入溶液C中，攪拌使其充分混合得到棕黑色澄清溶液D。將該棕黑色澄清溶液D放置于容積為IL的高溫高壓反應(yīng)釜中，設(shè)置溫度為200°C，并在該溫度下反應(yīng)10h。待反應(yīng)結(jié)束后將得到的混合溶液進(jìn)行分離。將得到的黑色固體用去離子水和無水乙醇清洗數(shù)次，即可分到產(chǎn)品。
[0036]對(duì)所述球狀四氧化三鐵納米粒子進(jìn)行掃描電鏡觀察，產(chǎn)物直徑為150nm。
[0037]實(shí)施例4
[0038]按照制備過程進(jìn)行，在常溫常壓下將6.36g 二水合檸檬酸三鈉溶于400ml乙二醇中，攪拌，得到澄清溶液，記為溶液A。同時(shí)，將16.38g氯化高鐵溶于200ml乙二醇中，得到澄清溶液，記為溶液B。將質(zhì)量比為1:0.7的無水乙酸鈉(30g)和去離子水(21g)加入溶液A中，攪拌至完全溶解得到溶液C。然后將溶液B加入溶液C中，攪拌使其充分混合得到棕黑色澄清溶液D。將該棕黑色澄清溶液D放置于容積為IL的高溫高壓反應(yīng)釜中，設(shè)置溫度為200°C，并在該溫度下反應(yīng)4h。待反應(yīng)結(jié)束后將得到的混合溶液進(jìn)行分離。將得到的黑色固體用去離子水和無水乙醇清洗數(shù)次，即可分到產(chǎn)品。
[0039]對(duì)所述球狀四氧化三鐵納米粒子進(jìn)行掃描電鏡觀察，產(chǎn)物直徑為90nm。
[0040]實(shí)施例5
[0041]按照制備過程進(jìn)行，在常溫常壓下將6.36g 二水合檸檬酸三鈉溶于400ml乙二醇中，攪拌，得到澄清溶液，記為溶液A。同時(shí)，將16.38g氯化高鐵溶于200ml乙二醇中，得到澄清溶液，記為溶液B。將質(zhì)量比為1:0.7的無水乙酸鈉(30g)和去離子水(21g)加入溶液A中，攪拌至完全溶解得到溶液C。然后將溶液B加入溶液C中，攪拌使其充分混合得到棕黑色澄清溶液D。將該棕黑色澄清溶液D放置于容積為IL的高溫高壓反應(yīng)釜中，設(shè)置溫度為160°C，并在該溫度下反應(yīng)10h。待反應(yīng)結(jié)束后將得到的混合溶液進(jìn)行分離。將得到的黑色固體用去離子水和無水乙醇清洗數(shù)次，即可分到產(chǎn)品。
[0042]對(duì)所述球狀四氧化三鐵納米粒子進(jìn)行掃描電鏡觀察，產(chǎn)物直徑為llOnm。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種球狀四氧化三鐵的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)將二水合檸檬酸三鈉溶于乙二醇中得到溶液A; (2)將氯化高鐵加入到乙二醇中，充分溶解后得到溶液B; (3)向步驟(I)得到的溶液A中加入無水乙酸鈉和去離子水，充分溶解后得到溶液C; (4)將步驟(2)中所配制的溶液B加入步驟(3)中所配制的溶液C中，在攪拌條件下，充分混合得到溶液D ; (5)將步驟(4)中所配制的溶液D密封放置于高壓反應(yīng)釜中，機(jī)械攪拌，在加熱條件下進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)結(jié)束后，經(jīng)過分離、洗滌得到所述的球狀四氧化三鐵。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的球狀四氧化三鐵的制備方法，其特征在于:步驟(I)中，二水合檸檬酸三鈉在溶液A中的濃度為5g/L?40g/L。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的球狀四氧化三鐵的制備方法，其特征在于:步驟(I)中，二水合檸檬酸三鈉在50°C?120°C的溫度下加熱溶于乙二醇中。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的球狀四氧化三鐵的制備方法，其特征在于:步驟(2)中，氯化高鐵在溶液B中的濃度為25g/L?125g/L。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的球狀四氧化三鐵的制備方法，其特征在于:步驟(3)中，加入的無水乙酸鈉與去離子水的質(zhì)量比為1:0.1?1:3，溶液C中無水乙酸鈉的濃度為40g/L?160g/Lo6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的球狀四氧化三鐵的制備方法，其特征在于:加入的無水乙酸鈉與去咼子水的質(zhì)量比為1:0.5?1:1。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的球狀四氧化三鐵的制備方法，其特征在于:步驟(5)中，反應(yīng)溫度為160°C?220°C，反應(yīng)時(shí)間為2?1h。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種球狀四氧化三鐵納米粒子的制備方法，涉及納米材料制備領(lǐng)域，本發(fā)明以氯化高鐵為鐵源，乙二醇為溶劑，通過溶劑熱法合成球狀四氧化三鐵。本發(fā)明的制備方法反應(yīng)時(shí)間短、工藝簡(jiǎn)單，原料低廉易得。合成的球狀四氧化三鐵粒子粒徑較小并且可控、均一，分散性好，在化工、環(huán)境、電子及半導(dǎo)體等領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛，并且其粒徑較小，尤其適用于光子晶體顯示材料領(lǐng)域。
【IPC分類】C01G49/08, B82Y30/00
【公開號(hào)】CN105712409
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201410725781
【發(fā)明人】張建飛, 孫愛華, 喬玄玄, 王重陽(yáng), 儲(chǔ)成義, 周石, 許高杰
【申請(qǐng)人】中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所