本發(fā)明涉及材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種刺猬型針狀四氧化三鐵及其制備方法。

背景技術(shù)：

四氧化三鐵，分子式為Fe₃O₄，具有立方反尖晶石結(jié)構(gòu)，由于其獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)，在眾多方面表現(xiàn)出與常規(guī)材料不同的用途，如治理污染、磁記錄材料、磁流體、醫(yī)藥、顏料等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。在治理污染方面，由于具有優(yōu)秀的催化分解性能和吸附性能，良好的磁性便于回收，四氧化三鐵已經(jīng)成為近年來環(huán)境治理方面的研究熱點(diǎn)，被被廣泛的用來去除水體污染。

近年來，有文獻(xiàn)報(bào)道了不同的方法合成不同結(jié)構(gòu)的四氧化三鐵的制備方法，例如采用溶劑法用氯化鐵作為鐵源，十二硫醇作為乳化劑，乙酸鈉做沉淀劑制備了單分散性的具有分級(jí)結(jié)構(gòu)的Fe₃O₄微球，又如有人將乙酰丙酮鐵溶解在含有1,2-十六烷二醇、苯醚、油酸和油胺的混合溶劑中，在150℃下回流制得了粒徑小于20nm的單分散性Fe₃O₄粒子。

現(xiàn)有技術(shù)中雖然具備一定的Fe₃O₄制備方法，但是制備的Fe₃O₄微粒形貌不夠優(yōu)秀，性能不夠好，比表面積不夠大，并且對(duì)如何改變合成條件來調(diào)控Fe₃O₄形貌以及合成刺猬形針狀的Fe₃O₄報(bào)道很少。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

(一)解決的技術(shù)問題

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種刺猬形針狀四氧化三鐵及其制備方法，以克服現(xiàn)有技術(shù)制備的Fe₃O₄的比表面積低的技術(shù)問題。

(二)技術(shù)方案

為實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明通過以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：

一方面，本發(fā)明給出了一種刺猬形針狀四氧化三鐵的制備方法，所述制備方法包括如下步驟：

步驟一、在攪拌狀態(tài)下，將無水氯化鐵、硫代硫酸鈉和尿素與溶劑進(jìn)行混合，制得混合溶液；

步驟二、向混合溶液中加入ZnO后攪拌，制得懸浮液；

步驟三、在高壓狀態(tài)下，將懸浮液加熱升溫至150℃～180℃，保溫8～12小時(shí)；

步驟四、冷卻至室溫后清洗、干燥，從而制得針狀的四氧化三鐵磁性粉末。

進(jìn)一步的，所述混合溶液中的無水氯化鐵、硫代硫酸鈉、尿素和溶劑的摩爾比分別為1：1～2：2～4：10～14。

進(jìn)一步的，步驟二中的ZnO與無水氯化鐵的摩爾比為0.1～0.2：1；攪拌的時(shí)間為10～15min。

進(jìn)一步的，步驟三中的高壓的壓力為12MPa～15MPa。

進(jìn)一步的，步驟四中的干燥的溫度為50～70℃，時(shí)間為3～5小時(shí)。

進(jìn)一步的，步驟四中的清洗次數(shù)為3～5次。

進(jìn)一步的，所述溶劑為去離子水或乙醇溶液中的一種或兩種。

另一方面，本發(fā)明給出了一種采用上述所述的制備方法制備的四氧化三鐵。

進(jìn)一步的，所述四氧化三鐵的比表面積為45～70m2/g；所述四氧化三鐵的長度尺寸分布在0.1～2微米。

本發(fā)明的四氧化三鐵的長度尺寸分布優(yōu)選為0.15～1.5微米，進(jìn)一步尺寸分布優(yōu)選為0.2～1.2微米。

本發(fā)明的生成機(jī)理如下：

1、硫代硫酸鈉將部分氯化鐵還原成氯化亞鐵，其反應(yīng)式如下：

2FeCl₃+2Na₂S₂O₃＝2NaCl+2FeCl₂+Na₂S₄O₆；

使得體系中鐵離子與亞鐵離子處于共存狀態(tài)。

2、ZnO調(diào)控的機(jī)理：

ZnO具有兩性，在此體系下能參與Fe(OH)₃生成：

2FeCl₃+3ZnO+3H₂O＝2Fe(OH)₃+3ZnCl₂。

3、在高壓狀態(tài)下加熱至160℃左右，尿素緩慢分解釋放氨氣，其反應(yīng)式如下：

CO(NH₂)₂＝NH₃+HCNO；

產(chǎn)生的氨氣溶于水中，產(chǎn)生弱堿性環(huán)境：

NH₃+H₂O＝NH₄⁺+OH^-。

4、在高溫高壓下，生成四氧化三鐵，其反應(yīng)式如下：

Fe²⁺+2Fe³⁺+8OH^-＝Fe₃O₄+4H₂O；

或Fe(OH)₂+2Fe(OH)₃＝Fe₃O₄+4H₂O。

(三)有益效果

本發(fā)明提供了一種刺猬形針狀高比表面積的四氧化三鐵及其制備方法。具備以下有益效果：

1、本發(fā)明利用無水氯化鐵、硫代硫酸鈉和尿素作為原料，通過水熱法和ZnO來調(diào)控合成針狀四氧化三鐵，在反應(yīng)過程中，不需要添加分散劑和表面活性劑，且制得比表面積為45～70m2/g的四氧化三鐵，提高了四氧化三鐵的比表面積。

2、本發(fā)明無需加入模板等物質(zhì)，后處理方便，反應(yīng)溫度低、反應(yīng)時(shí)間短、反應(yīng)工藝簡單、成本廉價(jià)。

3、本發(fā)明制備過程綠色環(huán)保，未使用任何的有毒有害的有機(jī)試劑。

4、本發(fā)明解決了傳統(tǒng)制備方法中過程復(fù)雜、成本高昂、形貌不夠好、比表面積低等問題。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為實(shí)施例3制備的四氧化三鐵Fe3O4的SEM照片；

圖2為實(shí)施例3制備的四氧化三鐵Fe3O4的XRD譜圖。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

實(shí)施例1：

本發(fā)明實(shí)施例1提出了一種刺猬形針狀四氧化三鐵的制備方法，包括如下步驟：

1、將1mmol無水氯化鐵、1mmol硫代硫酸鈉以及2mmol尿素溶解在10ml去離子水中，在磁力攪拌下得到均勻溶液。

2、然后加入0.1mmolZnO，磁力攪拌10min，得到懸浮液；

3、將懸浮液加入到容積為50ml的聚四氟乙烯高壓反應(yīng)釜內(nèi)膽中，在12MPa的壓力下，于烘箱中加熱至150℃，保溫8個(gè)小時(shí)。

4、高壓反應(yīng)釜自然冷卻至室溫后取出反應(yīng)物，將產(chǎn)物使用去離子水和乙醇交替各清洗3次，使用外加磁場收集沉淀物，然后將產(chǎn)物轉(zhuǎn)移至真空干燥箱50℃干燥3個(gè)小時(shí)，得到比表面積為45m2/g的黑色四氧化三鐵磁性粉末。

實(shí)施例2：

本發(fā)明實(shí)施例2提出了一種刺猬形針狀四氧化三鐵的制備方法，包括如下步驟：

1、將1mmol無水氯化鐵、2mmol硫代硫酸鈉以及4mmol尿素溶解在14ml去離子水中，在磁力攪拌下得到均勻溶液，

2、然后加入0.2mmolZnO，磁力攪拌15min，得到懸浮液；

3、將懸浮液加入到容積為50ml的聚四氟乙烯高壓反應(yīng)釜內(nèi)膽中，在15MPa的壓力下，于烘箱中加熱至180℃，保溫12個(gè)小時(shí)。

4、高壓反應(yīng)釜自然冷卻至室溫后取出反應(yīng)物，將產(chǎn)物使用去離子水和乙醇交替各清洗5次，使用外加磁場收集沉淀物，然后將產(chǎn)物轉(zhuǎn)移至真空干燥箱70℃干燥5個(gè)小時(shí)，得到比表面積為64m2/g的黑色四氧化三鐵磁性粉末。

實(shí)施例3：

本發(fā)明實(shí)施例3提出了一種刺猬形針狀四氧化三鐵的制備方法，包括如下步驟：

1、將1mmol無水氯化鐵、1.3mmol硫代硫酸鈉以及2.6mmol尿素溶解在8ml去離子水和4ml無水乙醇混合溶液中，

2、在磁力攪拌下得到均勻溶液，然后加入0.13mmolZnO，磁力攪拌12min，得到懸浮液；

3、將懸浮液加入到容積為50ml的聚四氟乙烯高壓反應(yīng)釜內(nèi)膽中，在14MPa的壓力下于烘箱中加熱至160℃，保溫10個(gè)小時(shí)。

4、高壓反應(yīng)釜自然冷卻至室溫后取出反應(yīng)物，將產(chǎn)物使用去離子水和乙醇交替各清洗4次，使用外加磁場收集沉淀物，然后將產(chǎn)物轉(zhuǎn)移至真空干燥箱60℃干燥4個(gè)小時(shí)，得到比表面積為70m2/g黑色四氧化三鐵磁性粉末。

對(duì)實(shí)施例3制備得到的刺猬形針狀四氧化三鐵進(jìn)行SEM觀測(cè)和XRD分析。

參照?qǐng)D1，從SEM照片可知，所得產(chǎn)物的產(chǎn)量很大，比表面積高，顆粒呈針狀，并且整體分布呈現(xiàn)出刺猬形，針形四氧化三鐵長度尺寸分布在1.0微米左右。

參照?qǐng)D2，從XRD(X射線衍射)譜圖可知，所得產(chǎn)物為四氧化三鐵Fe3O4相晶體結(jié)構(gòu)(JCPDS card no.01-089-0688)。

綜上所述，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種刺猬形針狀高比表面積的四氧化三鐵及其制備方法。具備以下有益效果：

1、本發(fā)明實(shí)施例利用無水氯化鐵、硫代硫酸鈉和尿素作為原料，通過水熱法和ZnO來調(diào)控合成針狀四氧化三鐵，在反應(yīng)過程中，不需要添加分散劑和表面活性劑，且制得比表面積為45～70m2/g的四氧化三鐵，提高了四氧化三鐵的比表面積。

2、本發(fā)明實(shí)施例無需加入模板等物質(zhì)，后處理方便，反應(yīng)溫度低、反應(yīng)時(shí)間短、反應(yīng)工藝簡單、成本廉價(jià)。

3、本發(fā)明實(shí)施例制備過程綠色環(huán)保，未使用任何的有毒有害的有機(jī)試劑。

4、本發(fā)明實(shí)施例解決了傳統(tǒng)制備方法中過程復(fù)雜、成本高昂、形貌不夠好、比表面積低等問題。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案及其發(fā)明構(gòu)思加以等同替換或改變，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。