本發(fā)明涉及γ-Fe₂O₃制備技術(shù)，特別是一種采用氧化鐵磷制備γ-Fe₂O₃粉末的方法。

背景技術(shù)：

鐵氧化物是一種普遍存在于自然界并且在實(shí)驗(yàn)室條件下能容易獲得的常見氧化物。鐵和鐵的氧化物能以7種晶相的形式存在，常見的鐵氧化合物包括α-Fe₂O₃、γ-Fe₂O₃、Fe₃O₄、FeO，同時(shí)還有少量的以ε-Fe₂O₃和β-Fe₂O₃結(jié)晶系存在。磁鐵氧化物具有奇異的特性廣泛地應(yīng)用于半導(dǎo)體、磁記錄材料、增強(qiáng)磁共振成像對比度、組織修復(fù)、癌癥的診斷和治療、生物流體的解毒、電致變色器件、鋰電池電極、藥物載體以及光催化制氫等領(lǐng)域。

由于磁鐵氧化中的γ-Fe₂O₃為尖晶石結(jié)構(gòu)，具有磁性能和較高的化學(xué)穩(wěn)定性，使得γ-Fe₂O₃作為磁性材料得以廣泛的應(yīng)用。

當(dāng)前，γ-Fe₂O₃磁性材料制備方法已經(jīng)成為材料科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一，并且科研人員已經(jīng)研究出許多制備γ-Fe₂O₃磁性材料的方法，如氧化還原法、水熱法、溶膠-凝膠法、離子交換法、共沉淀法等等。

現(xiàn)有技術(shù)中制備γ-Fe₂O₃的常用原料是γ-FeOOH和Fe₃O₄。即以γ-FeOOH為前驅(qū)體，然后經(jīng)過加熱獲得γ-Fe₂O₃；另外，以Fe₃O₄為前驅(qū)體，通過控制氧化溫度和氣氛來制備γ-Fe₂O₃。

上述制備工藝中的關(guān)鍵是先獲得γ-FeOOH或者Fe₃O₄前驅(qū)體，傳統(tǒng)的過程是從溶液法出發(fā)，利用鐵鹽和沉淀劑通過控制反應(yīng)過程的溫度、pH值和時(shí)間等參數(shù)制備出上述γ-FeOOH前驅(qū)體。但是在其制備過程中損耗了大量的酸和堿，有時(shí)還會產(chǎn)生具有毒性的廢液。如果制備的是Fe₃O₄前驅(qū)體，則還要經(jīng)過還原氧化過程，在此過程中還額外的需要還原劑，造成能源的消耗。上述不僅制備過程復(fù)雜還容易造成能源消耗和環(huán)境污染。

軋鋼鐵鱗(又稱氧化鐵皮)是在鋼鐵材料鍛造和熱軋加工時(shí)，由于高溫的鋼鐵和空氣中的氧發(fā)生反應(yīng)而產(chǎn)生的。雖然各鋼鐵企業(yè)在減少軋鋼鐵鱗的生產(chǎn)，提高成材率方面做了大量的工作，但是仍然約有1.3％的鐵鱗產(chǎn)生。全國鋼鐵企業(yè)每年產(chǎn)生的氧化鐵皮約1000萬噸，鐵鱗的主要成分為Fe₂O₃、Fe₃O₄、FeO，其經(jīng)過氧化焙燒后形成氧化鐵紅，其主要成分為α-Fe₂O₃，其含量能達(dá)到99％(不同的鋼種可能有差別)。按照傳統(tǒng)的制備方法，若以氧化鐵紅為原料制備γ-Fe₂O₃，其必須經(jīng)過還原先制取Fe₃O₄，然后在經(jīng)過低溫氧化得到γ-Fe₂O₃。其過程復(fù)雜并且對溫度和制備環(huán)境有比較高的要求。

為此，亟需一種以氧化鐵紅為原料制備γ-Fe₂O₃粉末，且工藝簡單，不對環(huán)境造成污染的方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)中制備γ-Fe₂O₃粉末的缺陷，本發(fā)明的采用氧化鐵磷制備γ-Fe₂O₃粉末的方法不需要經(jīng)過還原先制備Fe₃O₄的過程，進(jìn)而使得制備工藝簡單，且不污染環(huán)境，同時(shí)充分利用軋鋼鐵磷氧化焙燒后的氧化鐵紅。

第一方面，本發(fā)明提供一種采用氧化鐵紅制備γ-Fe₂O₃粉末的方法，包括：

步驟A：以氧化鐵紅為制備原料，將其和熔鹽按照預(yù)設(shè)配比均勻混合，得到混合后的反應(yīng)物料；

步驟B：將反應(yīng)物料在180-750℃溫度下煅燒1-100h，得到煅燒后的中間物料；

步驟C：去除中間物料中未反應(yīng)/未完全反應(yīng)的熔鹽，對去除熔鹽的中間物料在180-750℃溫度下熱處理0.5-4h，冷卻至室溫，得到γ-Fe₂O₃粉末。

第二方面，本發(fā)明還提供一種采用氧化鐵磷制備γ-Fe₂O₃粉末的方法，包括：

步驟一：收集軋鋼鐵磷在氧化焙燒后形成的氧化鐵紅，并去除雜質(zhì)，得到制備原料；

步驟二：將制備原料和熔鹽按照預(yù)設(shè)配比均勻混合，得到混合后的反應(yīng)物料；

步驟三：將反應(yīng)物料在180-750℃溫度下煅燒1-100h，得到煅燒后的中間物料；

步驟四：去除中間物料中未反應(yīng)/未完全反應(yīng)的熔鹽，對去除熔鹽的中間物料在180-750℃溫度下熱處理0.5-4h，冷卻至室溫，得到γ-Fe₂O₃粉末。

進(jìn)一步地，在步驟A或步驟二中，將制備原料和熔鹽按照質(zhì)量比1:(0.8-12)混合均勻。

進(jìn)一步地，在步驟A或步驟二中，將制備原料和熔鹽按照質(zhì)量比1:(1-10)在混料罐中混合均勻，混勻時(shí)間為0.5-5h；

或者，

在步驟A或步驟二中，將制備原料和熔鹽按照質(zhì)量比1:(1-10)在球磨機(jī)中混合均勻，混勻時(shí)間為0.5-5h。

進(jìn)一步地，所述熔鹽為：KOH、NaOH、或二者的混合物。

進(jìn)一步地，在步驟B或步驟三中，將反應(yīng)物料放置在耐腐蝕的容器中，將該容器放置在馬弗爐中煅燒2-72h，煅燒溫度為200-600℃。

進(jìn)一步地，在步驟C或步驟四中，采用清水在80-120℃溫度下多次清洗中間物料并過濾，以去除中間物料中的熔鹽；以及

將清洗過濾后的中間物料在70-90℃溫度的真空干燥箱中烘干10-12h；

將烘干的中間物料在200-600℃溫度下熱處理0.5-4h。

進(jìn)一步地，在步驟C或步驟四中，將烘干的中間物料放置在耐腐蝕的容器中，將該容器放置在馬弗爐中在200-600℃溫度下熱處理0.5-3h。

進(jìn)一步地，所述氧化鐵紅的主要成分是α-Fe₂O₃。

進(jìn)一步地，所述馬弗爐的升溫速度為5-10℃/min。

本發(fā)明制備γ-Fe₂O₃粉末的方法，采用熔鹽和氧化鐵紅混合均勻，并將混合均勻的反應(yīng)物料煅燒，在煅燒后進(jìn)行熱處理，進(jìn)而可得到γ-Fe₂O₃粉末，該方法省去了現(xiàn)有技術(shù)中還需要還原制備Fe₃O₄的過程，簡化了γ-Fe₂O₃的制備工藝，同時(shí)充分利用了廢棄的軋鋼鐵磷，達(dá)到節(jié)省能源消耗的目的。

附圖說明

圖1為本發(fā)明提供的γ-Fe₂O₃粉末的方法的流程示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例二種氧化鐵紅和γ-Fe₂O₃粉末的X射線粉末衍射(XRD)圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例二種氧化鐵紅和γ-Fe₂O₃粉末的傅里葉紅外光譜的示意圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例三中制備的γ-Fe₂O₃粉末的紫外漫反射光譜及其半導(dǎo)體禁帶寬度的示意圖；

圖5為本發(fā)明實(shí)施例四中制備的γ-Fe₂O₃粉末在掃描電子顯微鏡(SEM)下的形貌示意圖。

具體實(shí)施方式

為了更好的解釋本發(fā)明，以便于理解，下面結(jié)合附圖，通過具體實(shí)施方式，對本發(fā)明作詳細(xì)描述。

實(shí)施例一

如圖1所示，本實(shí)施例提供一種采用氧化鐵磷制備γ-Fe₂O₃粉末的方法，該方法包括：

步驟01：收集軋鋼鐵磷在氧化焙燒后形成的氧化鐵紅，并去除雜質(zhì)，得到制備原料。

本實(shí)施例中的氧化鐵紅的主要成分是α-Fe₂O₃。上述步驟中的制備原料通?？蔀榉勰畹脑?。若收集到的氧化鐵紅非粉末狀結(jié)構(gòu)，則可對其進(jìn)行加工，以使其成為粉末狀結(jié)構(gòu)。

步驟02：將制備原料和熔鹽按照預(yù)設(shè)配比均勻混合，得到混合后的反應(yīng)物料。

另外，需要說明的是，本實(shí)施例還可以直接以氧化鐵紅為制備原料，將該氧化鐵紅和熔鹽按照預(yù)設(shè)配比均勻混合。此時(shí)，可以省去上述的步驟01。上述步驟可根據(jù)實(shí)際需要調(diào)整，本實(shí)施例并不對其進(jìn)行限定；

舉例來說，可將制備原料和熔鹽按照質(zhì)量比1:(0.8-12)混合均勻。

進(jìn)一步地，可將制備原料和熔鹽按照質(zhì)量比1:(1-10)在混料罐/球磨機(jī)中混合均勻，混勻時(shí)間為0.5-5h。上述制備原料和熔鹽的質(zhì)量比還可為2:8、3:9、4:8等?；靹驎r(shí)間還可為2-4h，或2.5-3h。

本實(shí)施例中的熔鹽為KOH或NaOH；或者，熔鹽為KOH和NaOH的混合物。

步驟03：將反應(yīng)物料在180-750℃溫度下煅燒1-100h，得到煅燒后的中間物料。

例如，在實(shí)驗(yàn)室的操作中，可以將反應(yīng)物料放置在耐腐蝕的容器(如高純的三氧化二鋁坩堝)中，將該容器放置在馬弗爐中煅燒2-72h，煅燒溫度為200-600℃。

步驟04：去除中間物料中未反應(yīng)/未完全反應(yīng)的熔鹽，對去除熔鹽的中間物料在180-750℃溫度下熱處理0.5-4h，冷卻至室溫，得到γ-Fe₂O₃粉末。

舉例來說：在步驟04中，采用清水在80-120℃溫度下多次清洗中間物料并過濾，以去除中間物料中的熔鹽；以及

將清洗過濾后的中間物料在70-90℃溫度的真空干燥箱中烘干10-12h；

對烘干的中間物料在200-600℃溫度下熱處理0.5-4h。

在實(shí)驗(yàn)室中，可以采用去離子水在80-100℃下多次清洗中間物料并過濾，直至中間物料中的所有熔鹽全部被清洗掉；

將清洗過濾后的中間物料在80℃溫度的真空干燥箱中烘干12h，對烘干的中間物料放置在耐腐蝕的容器(如高純的三氧化二鋁坩堝)中，將該容器放置在馬弗爐中在200-600℃溫度下熱處理0.5-3h。

上述馬弗爐的升溫速度為5-10℃/min。

本實(shí)施例的方法，采用熔鹽和氧化鐵紅混合均勻，并將混合均勻的反應(yīng)物料煅燒，在煅燒后進(jìn)行熱處理，進(jìn)而可得到γ-Fe₂O₃粉末，該方法省去了現(xiàn)有技術(shù)中還需要還原制備Fe₃O₄的過程，簡化了γ-Fe₂O₃的制備工藝，同時(shí)充分利用了廢棄的軋鋼鐵磷，達(dá)到節(jié)省能源消耗的目的。

實(shí)施例二

本實(shí)施例的制備γ-Fe₂O₃粉末的方法中的制備原料為粉末狀的氧化鐵紅，該氧化鐵紅的主要成分是α-Fe₂O₃。

步驟A01、將質(zhì)量比為1:5的氧化鐵紅和NaOH在球磨機(jī)上混合0.5h，球磨機(jī)上的球磨介質(zhì)為氧化鋯球。

步驟A02、將上述混合均勻的反應(yīng)物料置于高純?nèi)趸X坩堝中，將坩堝蓋上蓋并置于馬弗爐中在400℃下進(jìn)行煅燒5h，馬弗爐的升溫速度為10℃/min；保溫結(jié)束后自然冷卻到室溫；

步驟A03、用80℃的去離子水多次清洗煅燒后的中間物料，并過濾，直到所得中間物料中的NaOH全部清洗掉，然后將清洗后的中間物料置于80℃的真空干燥箱內(nèi)烘干12h；

步驟A04、干燥后的中間物料置于馬弗爐中在300℃下熱處理2h；冷卻后所得的粉體。

步驟A05、利用X射線粉末衍射、光譜檢測等表征手段對氧化鐵紅和冷卻后的粉體進(jìn)行表征分析。

圖2為X射線粉末衍射圖，由該圖可知，冷卻后的粉體中含有磁性材料γ-Fe₂O₃，其圖譜和γ-Fe₂O₃的標(biāo)準(zhǔn)圖譜(JCPDS#39-1346)相吻合。另外，結(jié)合圖3的檢測分析結(jié)果確定上述冷卻后的粉體為γ-Fe₂O₃粉末。

實(shí)施例三

本實(shí)施例的制備γ-Fe₂O₃粉末的方法中的制備原料為粉末狀的氧化鐵紅，該氧化鐵紅的主要成分是α-Fe₂O₃。

步驟B01、將氧化鐵紅和KOH(質(zhì)量比為1:1)，以氧化鋯球?yàn)榍蚰ソ橘|(zhì)，在球磨機(jī)上混合5h；

步驟B02、將混合均勻的反應(yīng)物料置于高純?nèi)趸X坩堝中，將坩堝蓋上蓋并置于馬弗爐中在600℃下進(jìn)行煅燒2h，馬弗爐的升溫速度為8℃/min；保溫結(jié)束后自然冷卻到室溫；

步驟B03、用100℃的去離子水多次清洗煅燒后的中間物料，并過濾，直到所得中間物料中的KOH全部清洗掉，然后將清洗后的中間物料置于80℃的真空干燥箱內(nèi)烘干12h；

步驟B04、干燥后的中間物料置于馬弗爐中在200℃下熱處理3h；冷卻后所得的粉體；

步驟B05、對冷卻后的粉體進(jìn)行光譜檢測，如圖4所示，檢測分析結(jié)果確定上述冷卻后的粉體即為γ-Fe₂O₃粉末，圖4中示出的是γ-Fe₂O₃粉末的紫外漫反射光譜及其半導(dǎo)體禁帶寬度(如圖4中嵌套的方框)。

實(shí)施例四

本實(shí)施例的制備γ-Fe₂O₃粉末的方法中的制備原料為粉末狀的氧化鐵紅，該氧化鐵紅的主要成分是α-Fe₂O₃。

步驟C01、將氧化鐵紅和(NaOH+KOH)混合熔鹽，以氧化鋯球?yàn)榍蚰ソ橘|(zhì)，在球磨機(jī)上混合3h；

氧化鐵紅和混合熔鹽的質(zhì)量比為1:10。

步驟C02、將上述混合均勻的反應(yīng)物料置于高純?nèi)趸X坩堝中，將坩堝蓋上蓋并置于馬弗爐中在200℃下進(jìn)行煅燒72h，馬弗爐的升溫速度為5℃/min；保溫結(jié)束后自然冷卻到室溫；

步驟C03、用120℃的去離子水多次清洗并過濾煅燒后的中間物料，直到所得中間物料中的NaOH和KOH全部清洗掉，然后將清洗后的中間物料置于80℃的真空干燥箱內(nèi)烘干12h；

步驟C04、干燥后的中間物料置于馬弗爐中在600℃下熱處理0.5h；冷卻后所得的粉體即為γ-Fe₂O₃粉末，如圖5所示的粉末結(jié)構(gòu)。

圖5為本發(fā)明的方法制備的γ-Fe₂O₃粉末的掃描電子顯微鏡圖，由此圖可知，該方法得到的γ-Fe₂O₃是均勻的球形顆粒，粒徑在200nm左右。

最后應(yīng)說明的是：以上所述的各實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對其限制；盡管參照前述實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：其依然可以對前述實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對其中部分或全部技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而這些修改或替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實(shí)施例技術(shù)方案的范圍。