鐵酸鉀及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于無(wú)機(jī)材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種離子導(dǎo)體及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 離子導(dǎo)體研宄歷史悠久，迄今為止已經(jīng)研宄出各種類型的離子導(dǎo)體，由于離子導(dǎo) 體具有重要的理論和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，已在很多實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展成為很有價(jià)值的材料或 器件。近年來(lái)，各國(guó)科學(xué)家很重視與能源有關(guān)的問(wèn)題，而快離子導(dǎo)體是離子導(dǎo)體的一種， 也稱超離子導(dǎo)體，有時(shí)又叫做固體電解質(zhì)，區(qū)別于一般離子導(dǎo)體的最基本特征是在一定的 溫度范圍內(nèi)具有能與液體電解質(zhì)相比擬的離子電導(dǎo)率（0.01D?cm)和低的離子電導(dǎo)激 活能（<〇.40eV)?？捎米麾c硫電池、燃料電池新能源材料及氧分析器等研宄備受關(guān)注。 快離子導(dǎo)體在能源冶金環(huán)境保護(hù)電化學(xué)器件等各個(gè)領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用前景，比如用 Na-f3 -A1203作電解質(zhì)的鈉-硫電池具有比鉛酸電池高4~5倍的能量密度，它既可用作車 輛的動(dòng)力源，也可作為貯能電池使用。用氧化鋯和其它快離子導(dǎo)體制成的氣體探測(cè)器，不僅 可以控制汽車發(fā)動(dòng)機(jī)和鍋爐燃燒室的燃燒過(guò)程以節(jié)約燃料和減少污染，而且還可以監(jiān)測(cè)一 些有害氣體從而對(duì)環(huán)境保護(hù)作出貢獻(xiàn)。氧離子導(dǎo)體和氫離子導(dǎo)體都可用作燃料電池的電解 質(zhì)隔膜，從而使可燃?xì)怏w與氧氣經(jīng)電化學(xué)方法發(fā)生反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。用快離子導(dǎo)體制作的 固體電池具有自放電小、貯存壽命長(zhǎng)和抗振動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，已在心臟起搏器電子手表、計(jì)算器和 一些軍用設(shè)備上獲得應(yīng)用。近年來(lái)用快離子導(dǎo)體制成了超大容量電容器、定時(shí)器、庫(kù)侖計(jì)和 電色顯示器等固體離子器件，引起人們的極大興趣。對(duì)離子導(dǎo)體的研宄已成為材料研宄中 的一個(gè)專門領(lǐng)域，從材料的實(shí)用性來(lái)講，離子導(dǎo)體必須具備以下特點(diǎn)：較高的離子導(dǎo)電性、 使用溫度下較高的熱穩(wěn)定性及化學(xué)穩(wěn)定性、大規(guī)模生產(chǎn)的可操作性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明提供了一種具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的鐵酸鉀（K2Fe407)及其制備方法。本發(fā)明 采用的技術(shù)方案是，以硝酸鐵和氫氧化鉀為反應(yīng)原料，經(jīng)水熱反應(yīng)制得具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu) 的K2Fe407。
[0004] 本發(fā)明采用的具體的技術(shù)方案是：
[0005] -種鐵酸鉀，分子式為1^^407;其特征是，具有三維網(wǎng)狀的晶體結(jié)構(gòu)。
[0006] 所述的鐵酸鉀，形貌為片狀六邊形體，粒徑為260~1000 y m。
[0007] -種K2Fe407的制備方法，將九水合硝酸鐵加入去離子水中，溶解后加入氫氧化 鉀并攪拌2~3個(gè)小時(shí)，冷卻后移至反應(yīng)釜中，填充度為80 %，密封后于235~245°C反 應(yīng)36~48小時(shí)；自然冷卻至室溫，過(guò)濾得到粗產(chǎn)物，粗產(chǎn)物在超聲振蕩下用蒸餾水洗滌 至洗滌液為中性，干燥得到鐵酸鉀；九水合硝酸鐵、去離子水和氫氧化鉀的質(zhì)量比為4~ 4. 1 : 32 ~34 : 65 ~78。
[0008] 所述的干燥，是于70°C干燥5~6個(gè)小時(shí)。
[0009] 本發(fā)明的合成方法操作簡(jiǎn)便，合成所需時(shí)間較短，所合成的K2Fe407是一種具有二 維通道結(jié)構(gòu)的鐵氧體材料。所述K2Fe407具有可觀的離子電導(dǎo)效應(yīng)，具有良好的應(yīng)用前景。所 述1^^407在溫度低于700°C時(shí)結(jié)構(gòu)保持不變，在溫度高于500°C是具有很好的離子導(dǎo)電性， 是一種優(yōu)良的快離子導(dǎo)體材料，其中鐵原子和氧原子構(gòu)成了固定的離子迀移通道，鉀離子 是迀移離子。與以FeCl3、KN03為原料氨水為礦化劑合成K2Fe407的現(xiàn)有技術(shù)相比，在反應(yīng)中， Fe(N03) 3 *9H20是反應(yīng)物，二次去離子水是溶劑，一部分氫氧化鉀作為反應(yīng)物原材料，一部分 作為水熱反應(yīng)的礦化劑，省略了氨水礦化劑的要素，并使得到的產(chǎn)物結(jié)晶性更好，晶粒尺寸 有明顯的提高，氫氧化鉀作為礦化劑相比氨水來(lái)說(shuō)更安全。實(shí)驗(yàn)表明本發(fā)明的反應(yīng)需要在 較強(qiáng)的堿性環(huán)境下進(jìn)行，而氫氧化鉀具有較強(qiáng)的堿性，高溫高壓環(huán)境又能提高氫氧化鉀的 溶解度，因此在該反應(yīng)中以氫氧化劑作為礦化劑更加的合適。本發(fā)明所提供的K2Fe407用肉 眼就可以分辨出它是規(guī)則的片狀六邊形體，其直徑可達(dá)到1_(見(jiàn)圖8)，遠(yuǎn)大于現(xiàn)有技術(shù)的 200ym(現(xiàn)有技術(shù)參見(jiàn)張挺聳.鈮和鐵氧化物的鐵性研宄[D]吉林大學(xué)，2014, 79-80.)，且 得到的化合物的結(jié)晶度非常好，純度高、沒(méi)有雜相，與現(xiàn)有技術(shù)比較磁性、導(dǎo)電性等有很大 的提升。
【附圖說(shuō)明】
[0010] 圖1為實(shí)施例1的K2Fe407樣品的晶體結(jié)構(gòu)圖。
[0011] 圖2為圖1的ab面結(jié)構(gòu)圖，其中白色小球?yàn)镵，灰色小球?yàn)镕e，黑色小球?yàn)?。
[0012] 圖3為實(shí)施例1的K2Fe407樣品的單晶擬合的X射線衍射圖及單晶與粉末的X射 線衍射對(duì)照?qǐng)D。
[0013] 圖4為實(shí)施例1的K2Fe407樣品的SEM圖片。
[0014] 圖5為實(shí)施例1的K2Fe407樣品的EDS譜圖。
[0015] 圖6為實(shí)施例1的K2Fe407樣品的交流阻抗譜圖。
[0016] 圖7為實(shí)施例1的K2Fe407樣品的阿列紐斯圖。
[0017] 圖8為實(shí)施例2的K2Fe407樣品的單晶外貌照片。
【具體實(shí)施方式】
[0018] 下面以【具體實(shí)施方式】說(shuō)明本發(fā)明，但不限于此。
[0019] 實(shí)施例1
[0020] 將4. 0g九水合硝酸鐵[Fe(N03)3 *9H20]加入32g二次去離子水中，充分溶解后加 入65g氫氧化鉀并攪拌2~3個(gè)小時(shí)，待其冷卻后將反應(yīng)物轉(zhuǎn)移至100mL聚四氟乙烯內(nèi)襯 的反應(yīng)釜中，填充度為80%，密封后于240°C反應(yīng)36~48小時(shí)；自然冷卻至室溫，過(guò)濾得到 粗產(chǎn)物，粗產(chǎn)物在超聲振蕩下用蒸餾水洗滌至洗滌液為中性，于70°C干燥5~6個(gè)小時(shí)，得 到K2Fe407。此條件下合成的K2Fe407顆粒細(xì)小，表現(xiàn)為細(xì)沙狀的小顆粒，在顯微鏡下可以觀 察到其形貌為片狀的六邊形體。
[0021] 將得到的產(chǎn)物進(jìn)行晶體結(jié)構(gòu)測(cè)定見(jiàn)圖1，由圖1可知K2Fe407具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，由 圖3可知該方法合成的產(chǎn)物的粉末X射線衍射圖與單晶擬合的X射線衍射圖基本吻合沒(méi)有 雜峰，說(shuō)明該產(chǎn)物為純凈的K2Fe407，不含雜質(zhì)。掃描電鏡觀察產(chǎn)物的形貌為六邊形的扁平狀 顆粒，如圖4所示。采用EDS對(duì)1^^407樣品進(jìn)行組成分析，由圖5可見(jiàn)，樣品中含有K、Fe 和0三種元素，三種原子百分比分別為050. 89%，K 15. 57%，F(xiàn)e 33. 54%，，元素比例在誤 差允許范圍內(nèi)符合2:4:7,說(shuō)明產(chǎn)物是K2Fe407。對(duì)K2Fe407的導(dǎo)電性進(jìn)行了研宄，由圖6可 見(jiàn)，K2Fe407的電導(dǎo)率隨著溫度的升高逐漸增大，用zview軟件對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)擬合，可得到其在 不同溫度的電導(dǎo)率，見(jiàn)表1，由表1中的數(shù)據(jù)可得到阿列紐斯圖（圖7)，由以上數(shù)據(jù)可知，該 物質(zhì)在低溫下電導(dǎo)率很低，（250°C，〇 = 2.26X1(T4SMm〇在高溫環(huán)境下具有很好的電導(dǎo) 率（700°C，〇 =ljSXK^s.cnT1)，活化能在 500°C以上也比較低，為 0?16eV，說(shuō)明K2Fe407 為離子導(dǎo)體。
[0022] 表1K2Fe407在不同溫度下的電導(dǎo)率及活化能
[0023]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種鐵酸鉀，分子式為K#6407;其特征是，具有三維網(wǎng)狀的晶體結(jié)構(gòu)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鐵酸鉀，其特征是，形貌為片狀六邊形體，粒徑為260~ 1000 y m〇
3. -種權(quán)利要求1的鐵酸鉀的制備方法，其特征是，將九水合硝酸鐵加入去離子水中， 溶解后加入氫氧化鉀并攪拌2~3個(gè)小時(shí)，冷卻后移至反應(yīng)釜中，填充度為80%，密封后于 235~245°C反應(yīng)36~48小時(shí)；自然冷卻至室溫，過(guò)濾得到粗產(chǎn)物，粗產(chǎn)物在超聲振蕩下用 蒸餾水洗滌至洗滌液為中性，干燥得到鐵酸鉀；九水合硝酸鐵、去離子水和氫氧化鉀的質(zhì)量 比為4~4.1 : 32~34 : 65~78。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的鐵酸鉀的制備方法，其特征是，所述的干燥，是于70°C干燥 5~6個(gè)小時(shí)。
【專利摘要】本發(fā)明的鐵酸鉀及其制備方法，屬于無(wú)機(jī)材料的技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明提供的鐵酸鉀K2Fe4O7具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，形貌為片狀六邊形體，粒徑為260～1000μm；制備方法將九水合硝酸鐵加入去離子水中，溶解后加入氫氧化鉀并攪拌；移至反應(yīng)釜中密封后于240℃反應(yīng)36～48小時(shí)；自然冷卻過(guò)濾得到粗產(chǎn)物，粗產(chǎn)物在超聲振蕩下用蒸餾水洗滌至洗滌液中性，干燥得到鐵酸鉀。本發(fā)明的K2Fe4O7化合物的結(jié)晶度非常好，純度高、沒(méi)有雜相，在溫度低于700℃時(shí)結(jié)構(gòu)保持不變，在溫度高于500℃具有很好的離子導(dǎo)電性，是一種很好的離子導(dǎo)體。
【IPC分類】C01G49-00
【公開(kāi)號(hào)】CN104843797
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510245772
【發(fā)明人】袁宏明, 李賀, 張挺聳, 張晨陽(yáng), 馮守華
【申請(qǐng)人】吉林大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年8月19日
【申請(qǐng)日】2015年5月14日