一種由鐵制備功能性的微納結(jié)構(gòu)枝狀α-Fe基材料的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種α-Fe功能材料的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]鐵是應(yīng)用最為廣泛的金屬，鐵在各行各業(yè)中都有不可或缺的作用，鐵路、汽車、飛機(jī)、船舶等交通工具，房屋、橋梁、道路等建筑設(shè)施以及生活中的各種小工具都能看見鐵的存在。在2014年我國(guó)鋼材總產(chǎn)量達(dá)11.26億噸，達(dá)到了世界鋼產(chǎn)量的一半左右。可以發(fā)現(xiàn)鋼鐵是價(jià)廉、易得、實(shí)用性廣的一種金屬。同時(shí)鋼鐵資源的回收利用也占據(jù)了較大比例，在過去的十年間，鋼鐵的回收達(dá)到四分之一，回收得到的鐵往往是通過重新冶煉，得到新的鋼材，鋼鐵重?zé)挸杀靖咔矣形廴尽⒋骤F、廢鐵經(jīng)簡(jiǎn)單處理得到高附加值的產(chǎn)品，是一個(gè)非常有意義的研究方向。
[0003]當(dāng)材料達(dá)到納米級(jí)時(shí)，將具有與普通材料不同的光、電、磁、熱、力學(xué)、機(jī)械等性能，鐵的納米材料在催化、污水治理、微電子等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。在催化方面，以納米鐵為基體合成納米材料廣泛應(yīng)用于有機(jī)物降解、光催化制氫等領(lǐng)域；污水治理方面，納米鐵不僅可以應(yīng)用于降解有機(jī)物還可以去除污水中的重金屬粒子，是一種優(yōu)異的治污材料，現(xiàn)階段納米鐵治理污水的水平已成為一些國(guó)家評(píng)價(jià)治水處理水平的一個(gè)指標(biāo)；納米鐵還具有優(yōu)異的吸波性能，由于納米級(jí)的材料具有大的表面積，使材料與電磁波接觸的面積成倍擴(kuò)大。
[0004]將廢鐵、粗鐵制備成納米級(jí)或微納結(jié)構(gòu)的鐵可以使鐵的附加值成倍增加，同時(shí)也解決了鋼鐵資源浪費(fèi)的問題。納米鐵的制備方法主要包括物理方法和化學(xué)法。物理方法包括高能機(jī)械球磨法和離子濺射法等方法，物理方法操作簡(jiǎn)單，是得到產(chǎn)品純度不高、設(shè)備成本高；化學(xué)方法包括溶膠-凝膠法、化學(xué)還原法、微乳液法、電沉積法等，化學(xué)方法制備的產(chǎn)品純度高，設(shè)備簡(jiǎn)單。但是溶膠-凝膠法、化學(xué)還原法、微乳液法往往需要準(zhǔn)備復(fù)雜的前驅(qū)體，技術(shù)要求較高。傳統(tǒng)電沉積為了使鍍液穩(wěn)定，鍍液成分往往比較復(fù)雜。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是要解決現(xiàn)有廢鐵回收成本高且有污染和現(xiàn)有制備納米級(jí)鐵的工藝復(fù)雜，成本高，產(chǎn)品純度低的問題，而提供一種由鐵制備功能性的微納結(jié)構(gòu)枝狀α -Fe基材料的方法。
[0006]—種由鐵制備功能性的微納結(jié)構(gòu)枝狀α -Fe基材料的方法是按以下方法制備的:
[0007]一、取一套反應(yīng)裝置:
[0008]反應(yīng)裝置由兩個(gè)鐵陽極、第一導(dǎo)線、第二導(dǎo)線、直流電源、電解槽、銅陰極、第三導(dǎo)線、冷卻水出口、冷卻水入口和冷卻槽組成；
[0009]所述的兩個(gè)鐵陽極和銅陰極均設(shè)置在電解槽中，且銅陰極設(shè)置在兩個(gè)鐵陽極中間；電解槽的外部設(shè)有冷卻槽，冷卻槽的一側(cè)下端設(shè)有冷卻水入口，冷卻槽的另一側(cè)上端設(shè)有冷卻水出口 ；直流電源的正極通過第二導(dǎo)線與銅陰極連接；直流電源的負(fù)極通過第三導(dǎo)線與兩個(gè)鐵陽極中一個(gè)鐵陽極連接，兩個(gè)鐵陽極之間采用第一導(dǎo)線連接；
[0010]所述的電解槽的材質(zhì)為有機(jī)玻璃；
[0011]所述的冷卻槽的材質(zhì)為有機(jī)玻璃；
[0012]二、配置電解液:將鐵鹽、無水乙醇和水混合，再在攪拌速度為500r/min?1500r/min的條件下攪拌Imin?5min，得到電解液；
[0013]步驟二中所述的鐵鹽為七水合硫酸亞鐵；
[0014]步驟二中所述的鐵鹽的濃度為20g/L?60g/L ；
[0015]步驟二中所述的無水乙醇的濃度為50mL/L?60ml/L ；
[0016]三、制備金屬粉體:
[0017]將步驟二中得到的電解液加入到電解槽中，將冷卻水入口與自來水相接通，自來水通過冷卻水入口進(jìn)入到冷卻槽中，再?gòu)睦鋮s水出口中流出；接通直流電源，在銅陰極的表面電流密度為5A/cm2?20A/cm2和電解液的溫度為20°C?35°C下進(jìn)行反應(yīng)，每隔1s?40s停止反應(yīng)，取出銅陰極，收集銅陰極上得到的金屬粉體；再將銅陰極放入電解槽中繼續(xù)反應(yīng)，得到收集的金屬粉體；
[0018]四、清洗干燥:
[0019]分別使用去離子水和無水乙醇對(duì)步驟三中收集的金屬粉體清洗3次?5次，得到清洗后的金屬粉體；將清洗后的金屬粉體在溫度為60°C?70°C的真空干燥箱中干燥2h?3h，得到功能性的微納結(jié)構(gòu)枝狀α -Fe基材料。
[0020]本發(fā)明步驟一中所述的兩個(gè)鐵陽極為廢棄或使用過的鋼鐵，是按以下方法進(jìn)行前處理的:將廢棄或使用過的鋼鐵進(jìn)行打磨，去除表面的鐵銹，得到表面光滑的鋼鐵；使用去離子水對(duì)表面光滑的廢棄或使用過的鋼鐵進(jìn)行清洗3次?5次，再使用電吹風(fēng)進(jìn)行吹干，再進(jìn)行剪裁，得到尺寸相同的兩個(gè)鐵陽極。
[0021]本發(fā)明的原理:
[0022]陽極區(qū):
[0023]在外電流作用下鐵陽極溶解，鋼鐵中的鐵失去電子，生成Fe'陽極區(qū)發(fā)生反應(yīng)為:
[0024]Fe_2e — Fe2+;
[0025]陰極區(qū):
[0026]陰極區(qū)反應(yīng)主要分為兩個(gè)過程，反應(yīng)初始，由于陽極溶解中生成的Fe2+較少，不能滿足反應(yīng)需求，因此最初由溶液中的Fe2+向陰極移動(dòng)，在陰極區(qū)得到兩個(gè)電子，在陰極上沉積；隨著反應(yīng)進(jìn)行，溶液中的Fe2+主要來自于陽極區(qū)溶解得到的Fe'在電場(chǎng)作用下，陽極區(qū)溶解得到的Fe2+向陰極移動(dòng)，在銅陰極表面析出鐵，同時(shí)還伴隨著少量析氫反應(yīng)，陰極區(qū)發(fā)生的反應(yīng)為:
[0027]Fe2++2e — Fe ；
[0028]2H++2e — H2;
[0029]從標(biāo)準(zhǔn)電極電位看，H+的還原反應(yīng)比較容易發(fā)生，但由于溶液中H+的濃度小，過電勢(shì)較大，溶液為二價(jià)鐵溶液，溶液中的Fe2+最初來源于溶液中的硫酸亞鐵，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，溶液中的鐵由陽極溶解得到的Fe2+來補(bǔ)充，因此在此過程中Fe 2+濃度保持較大，F(xiàn)e 2+的活度遠(yuǎn)大于H+，因此，大量的Fe2+得到2個(gè)電子還原為Fe而沉積在銅陰極上。
[0030]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn):
[0031]—、本發(fā)明使用廢棄鋼鐵為陽極，使廢棄鋼鐵得到利用，解決了鋼鐵浪費(fèi)的問題；
[0032]二、本發(fā)明將普通的鋼鐵轉(zhuǎn)化為枝狀α -Fe，枝狀α -Fe具有各種優(yōu)異性能，在各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛；
[0033]三、本發(fā)明將廢棄鋼鐵作為Fe2+來源，使用了少量的二價(jià)鐵鹽，相較于使用大量二價(jià)鐵鹽溶液成本降低了 70%?85% ;
[0034]四、本發(fā)明加入冷卻槽，使溶液維持在一定溫度，可以使反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行；相對(duì)于高濃度Fe'反應(yīng)一段時(shí)間后Fe2+被氧化Fe 3+，此時(shí)析氫反應(yīng)占據(jù)主導(dǎo)，反應(yīng)不能進(jìn)行；本發(fā)明中的Fe2+來源于鐵溶解，并能較快的移動(dòng)到陰極區(qū)，F(xiàn)e 2+氧化Fe 3+較少，可以使反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行；
[0035]五、本發(fā)明制備的功能性的微納結(jié)構(gòu)枝狀α -Fe基材料的主干為4μπι?8μπι，旁邊枝部分為納米級(jí)別；
[0036]六、多級(jí)結(jié)構(gòu)納米鐵基材料在催化、污水治理、微電子等領(lǐng)域更具有優(yōu)勢(shì)；納米鐵還具有優(yōu)異的吸波性能，將0.14g本發(fā)明制備的功能性的微納結(jié)構(gòu)枝狀α-Fe基材料與0.06g固體石蠟混合，在80°C下制取吸波樣品；吸波樣品厚度為1.5mm時(shí)，頻寬為2.33GHz ；吸波樣品厚度為2mm時(shí)，頻寬為2.30GHz ;吸波樣品厚度為3mm時(shí)，頻寬為2.18GHz ;吸波樣品厚度為3.5mm時(shí)，頻寬為1.88GHz ;吸波樣品厚度為4mm時(shí)，總頻寬為3.31GHz，此時(shí)具有兩個(gè)峰；厚度為4.5mm時(shí)，總頻寬為3.10GHz，具有兩個(gè)峰。
[0037]本發(fā)明可獲得一種由鐵制備功能性的微納結(jié)構(gòu)枝狀α-Fe基材料的方法。
【附圖說明】
[0038]圖1為【具體實(shí)施方式】一所述的反應(yīng)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0039]圖2為實(shí)施例一制備的功能性的微納結(jié)構(gòu)枝狀α-Fe基材料的XRD衍射譜圖；
[0040]圖3為實(shí)施例一制備的功能性的微納結(jié)構(gòu)枝狀α -Fe基材料的SEM圖；
[0041]圖4為吸波樣品的吸波性能圖，圖4中I為吸波樣品厚度為1.5mm時(shí)的吸波性能曲線；2為吸波樣品厚度為2mm時(shí)的吸波性能曲線；3為吸波樣品厚度為3mm時(shí)的吸波性能曲線；4為吸波樣品厚度為3.5mm時(shí)的吸波性能曲線；5為吸波樣品厚度為4mm時(shí)的吸波性能曲線；6為吸波樣品厚度為4.5mm時(shí)的吸波性能曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0042]【具體實(shí)施方式】一:本實(shí)施方式是一種由鐵制備功能性的微納結(jié)構(gòu)枝狀α -Fe基材料的方法是按以下方法制備的:
[0043]一、取一套反應(yīng)裝置:
[0044]反應(yīng)裝置由兩個(gè)鐵陽極1、第一導(dǎo)線2、第二導(dǎo)線3、直流電源4、電解槽5、銅陰極6、第三導(dǎo)線7、冷卻水出口 8、冷卻水入口 9和冷卻槽10組成；
[0045]所述的兩個(gè)鐵陽極I和銅陰極6均設(shè)置在電解槽5中，且銅陰極6設(shè)置在兩個(gè)鐵陽極I中間；電解槽5的外部設(shè)有冷卻槽10，冷卻槽10的一側(cè)下端設(shè)有冷卻水入口 9，冷卻槽10的另一側(cè)上端設(shè)有冷卻水出口 8 ;直流電源4的正極通過第二導(dǎo)線3與銅陰極6連接；直流電源4的負(fù)極通過第三導(dǎo)線7與兩個(gè)鐵陽極I中一個(gè)鐵陽極I連接，兩個(gè)鐵陽極I之間采用第一導(dǎo)線2連接；
[0046]所述的電解槽5的材質(zhì)為有機(jī)玻璃；
[0047]所述的冷卻槽10的材質(zhì)為有機(jī)玻璃；
[0048]二、配置電解液:將鐵鹽、無水乙醇和水混合，再在攪拌速度為500r/min?1500r/min的條件下攪拌Imin?5min，得到電解液；
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