一種合成鐵鋁尖晶石的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種合成具有多孔結(jié)構(gòu)的高比表面鐵鋁尖晶石材料的方法，屬于材料制備領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]具有AB2O4尖晶石結(jié)構(gòu)的FeAl2O4 (鐵招尖晶石)以其優(yōu)異的物理化學(xué)性能，如聞強(qiáng)度、高熔點(diǎn)、良好的磁性等而被用作耐火材料及磁性材料，受到了越來越多的關(guān)注?，F(xiàn)有技術(shù)中，合成鐵招尖晶石，一般以Al2O3和Fe為原料采用電熔法(Journal of Magnetism andMagnetic Materials, 2003, 264，264-274)，但工藝復(fù)雜，反應(yīng)難以控制且不夠充分，電耗高，成本高。沖擊波合成(Glass and Ceramics, 1998; 55:283 - 284)、微波反應(yīng)(Journal ofThe Asian Ceramic Society, 2013, I, 41 -45)以及機(jī)械化學(xué)合成(Materials Chemistryand Physics, 2002, 76，104 - 109)等方法都需要特殊的設(shè)備或氣氛，工藝過程復(fù)雜。固相反應(yīng)方法作為常用的材料合成方法雖然也用于合成鐵招尖晶石(Journal of The EuropeanCeramic Society, 2011, 31，259 - 263)，但是由于尖晶石的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要較高的反應(yīng)溫度和較長的反應(yīng)時間，而且由于FeO易被氧化為Fe2O3及還原為Fe單質(zhì)，因此很難得到純度較高的FeAl2CV近年來，中國學(xué)者先后嘗試了各種燒結(jié)法合成鐵鋁尖晶石(硅酸鹽學(xué)，2013,32(3),501-505; CN103848618A; CN102838145A; CN102583462; CN102603315A;CN103664208A)，但這些燒結(jié)過程都需要高溫煅燒及較長的反應(yīng)時間，能耗高，成本高，不利于工業(yè)化推廣應(yīng)用。
[0003]溶液燃燒合成是一種快速簡便的合成方法，原料一般為硝酸鹽及尿素、氨基乙酸、檸檬酸等含氮有機(jī)物，利用硝酸鹽和燃料之間的氧化還原反應(yīng)所放出的熱量直接促進(jìn)硝酸鹽的分解及氧化物之間的反應(yīng)，得到所需的材料。加熱中燃料與硝酸鹽形成配合物，一般加入少量水使其以溶液狀態(tài)存在，各反應(yīng)物之間以分子水平均勻混合，也保證了所形成材料的均勻性。燃燒合成方法已合成多種氧化物，包括具有尖晶石結(jié)構(gòu)的MgAl2O4 (CN201110095249.1)。但是，由于鐵元素的價態(tài)多變性，氧化氣氛下容易以Fe2O3形式存在，而在還原氣氛下又易以Fe形式存在，目前尚未見鐵鋁尖晶石的溶液燃燒快速合成的報道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種合成鐵鋁尖晶石的方法，克服了燃燒合成法因水的加入導(dǎo)致熱效率降低，以及由于隨溫度升高而蒸發(fā)，造成體系不穩(wěn)定的缺陷。
[0005]本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的。一種合成鐵鋁尖晶石的方法，包括以下步驟:
(1)將硝酸鐵與硝酸鋁與尿素與三甲胺鹽酸鹽、三乙胺鹽酸鹽、二乙胺鹽酸鹽、二甲胺鹽酸鹽中的一種或幾種為原料，按照物質(zhì)的量比為1:2: (I?8):(0.1?3)的比例混合，對混合物加熱至100?200°C，使其成為液體狀態(tài)；
(2)將步驟(I)所得的液體繼續(xù)加熱至200?400°C，使其燃燒； (3)收集步驟(2)燃燒完全后產(chǎn)生的固體，研磨后得到鐵鋁尖晶石。
[0006]本發(fā)明制備鐵鋁尖晶石采用溶液燃燒法，即將硝酸鹽與銨鹽和尿素混合加熱形成溶液，銨鹽中的氯離子以及尿素中的氨基基團(tuán)與硝酸鹽中的金屬離子配位，在硝酸鹽中的結(jié)晶水的作用下形成配位化合物的溶液狀態(tài)，克服了其他燃燒法中需要另外加入水形成溶液的不足。
[0007]本發(fā)明的有益效果在于:本方法生成鐵鋁尖晶石所需要的能量是反應(yīng)本身放熱產(chǎn)生的，無需外部提供能量，成本低，且反應(yīng)時間短；無需控制外部氣氛，如惰性氣氛、還原氣氛等，燃料本身造成的氣氛即可保證材料的形成；制備過程簡單，時間短，幾分鐘之內(nèi)即可完成，產(chǎn)率高，適合于工業(yè)化批量生產(chǎn)。
【附圖說明】
[0008]圖1為實(shí)施例1?實(shí)施例4所制備的鐵鋁尖晶石的X射線衍射(XRD)圖譜。
[0009]圖2為實(shí)施例1所制備的鐵鋁尖晶石的高倍透射電鏡(HRTEM)圖譜。
[0010]圖3為實(shí)施例1所制備的鐵鋁尖晶石的N2吸附脫附及孔徑分布(插圖)圖譜。
[0011]圖4為實(shí)施例1所制備的鐵鋁尖晶石的場發(fā)射掃描電鏡(FESEM)圖譜。
【具體實(shí)施方式】
[0012]以下實(shí)施例用于說明本發(fā)明，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不受實(shí)施例的限制。
[0013]實(shí)施例1
按照下述步驟制備鐵鋁尖晶石:
①將0.01 mo I硝酸鐵、0.02mol硝酸鋁與0.05mol尿素、0.015 mo I 二乙胺鹽酸鹽混合，加熱至100°C，使其形成液體；
②繼續(xù)加熱步驟①中所述的液體至200°C，使液體燃燒，燃燒產(chǎn)生大量的煙霧，并產(chǎn)生明火，放出大量的熱量；
③收集步驟②燃燒完全后產(chǎn)生的固體，冷卻并研磨，得到灰黑色粉體，XRD結(jié)果表明該粉體為純鐵招尖晶石，標(biāo)為樣品A。
[0014]對上述白色粉體分別進(jìn)行XRD和HRTEM、FESEM及N2吸附脫附測試，測試圖譜分別如圖1至圖4所示。由圖1可見，XRD圖譜中位于30.92° ,36.22° ,44.30° ,55.06°，58.26。，64.28。的 2Θ 角分別對應(yīng)鐵鋁尖晶石的(220)，(311)，(400)，(422)，(511)，(440)晶面，沒有其他的氧化鋁、氧化鐵、氧化亞鐵及鐵單質(zhì)等雜質(zhì)出現(xiàn)，證明反應(yīng)完全；圖2 HRTEM中0.288 nm的晶面間距對應(yīng)鐵鋁尖晶石的(220)晶面，進(jìn)一步證實(shí)了其存在；圖3測試所得樣品A的比表面積為185.35 m2/g,平均孔徑為3.94nm,總的孔體積為0.19 cm3/g ；圖4可見形成的樣品A具有多孔結(jié)構(gòu)且孔分布均勻，與圖3相對應(yīng)，證明鐵鋁尖晶石的高比表面來自于燃燒放熱過程中氣體的逸出造成的多孔結(jié)構(gòu)。
[0015]實(shí)施例2
按照下述步驟制備鐵鋁尖晶石:
①將0.01 mo I硝酸鐵、0.02mol硝酸招與0.05mol尿素、0.01 mo I 二乙胺鹽酸鹽混合，加熱至150°C，使其形成液體；
②繼續(xù)加熱步驟①中所述的液體至200°C，使液體燃燒，燃燒產(chǎn)生大量的煙霧，并產(chǎn)生明火，放出大量的熱量；
③收集步驟②燃燒完全后產(chǎn)生的固體，冷卻并研磨，得到灰黑色粉體，XRD結(jié)果表明該粉體為純鐵招尖晶石，標(biāo)為樣品B。
[0016]對上述白色粉體分別進(jìn)行XRD和N2吸附脫附測試，XRD圖譜如圖1樣品B所示，呈現(xiàn)純鐵鋁尖晶石結(jié)構(gòu)；N2吸附脫附測試表明該粉體比表面積為116.07 m2/g，平均孔徑為3.81nm,總的孔體積為0.14 cm3/g。
[0017]實(shí)施例3
按照下述步驟制備鐵鋁尖晶石:
①將0.01 mo I硝酸鐵、0.02mol硝酸鋁與0.05mol尿素、0.008 mo I 二乙胺鹽酸鹽混合，加熱至160°C，形成液體；
②繼續(xù)加熱步驟①中所述的液體至240°C，液體燃燒，燃燒產(chǎn)生大量的煙霧，并產(chǎn)生明火，放出大量的熱量；
③收集步驟②燃燒完全后產(chǎn)生的固體，冷卻并研磨，得到灰黑色粉體，XRD結(jié)果表明該粉體為純鐵招尖晶石，標(biāo)為樣品C。
[0018]對上述白色粉體分別進(jìn)行XRD和N2吸附脫附測試，XRD圖譜如圖1樣品C所示，呈現(xiàn)純鐵鋁尖晶石結(jié)構(gòu)；N2吸附脫附測試表明該粉體比表面積為143.59 m2/g，平均孔徑為3.99nm,總的孔體積為0.16 cm3/g。
[0019]實(shí)施例4
按照下述步驟制備鐵鋁尖晶石:
①將0.01 mo I硝酸鐵、0.02mol硝酸鋁與0.05mol尿素、0.006 mo I 二乙胺鹽酸鹽混合，加熱至180°C，使其形成液體；
②繼續(xù)加熱步驟①中所述的液體至260°C，液體燃燒，燃燒產(chǎn)生大量的煙霧，并產(chǎn)生明火，放出大量的熱量；
③收集步驟②燃燒完全后產(chǎn)生的固體，冷卻并研磨，得到灰黑色粉體，XRD結(jié)果表明該粉體為純鐵招尖晶石，標(biāo)為樣品D。
[0020]對上述白色粉體分別進(jìn)行XRD和N2吸附脫附測試，XRD圖譜如圖1樣品D所示，呈現(xiàn)純鐵鋁尖晶石結(jié)構(gòu)，但是結(jié)晶度較弱，是由于燃料量減少造成的煅燒溫度降低；N2吸附脫附測試表明該粉體比表面積為89.83 m2/g，平均孔徑為3.73nm,總的孔體積為0.08 cm3/g。
[0021]實(shí)施例5
與實(shí)施例1不同的是，所用物料，尿素為0.08mol，三乙胺鹽酸鹽0.0Olmol，步驟①的加熱溫度為200°C，步驟②的加熱溫度為330°C。所得到的鐵鋁尖晶石的比表面積為101.24m2/g,平均孔徑為3.82nm,總的孔體積為0.11 cm3/g。
[0022]實(shí)施例6
與實(shí)施例1不同的是，所用物料，尿素為0.02mol，三甲胺鹽酸鹽0.03molo步驟①的加熱溫度為180°C，步驟②的加熱溫度為300°C。所得到的鐵鋁尖晶石的比表面積為130.37m2/g,平均孔徑為3.83nm,總的孔體積為0.14 cm3/g。
[0023]實(shí)施例7
與實(shí)施例1不同的是，所用物料，尿素為0.0lmol，三甲胺鹽酸鹽0.0lmol、三乙胺鹽酸鹽0.0lmol。步驟①的加熱溫度為200°C，步驟②的加熱溫度為400°C。所得到的鐵鋁尖晶石的比表面積為95.37 m2/g,平均孔徑為3.65nm,總的孔體積為0.10 cm3/g。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種合成鐵鋁尖晶石的方法，其特征在于包括以下步驟： (1)將硝酸鐵與硝酸鋁與尿素與三甲胺鹽酸鹽、三乙胺鹽酸鹽、二乙胺鹽酸鹽、二甲胺鹽酸鹽中的一種或幾種為原料，按照物質(zhì)的量比為1:2 : (I?8) :(0. I?3)的比例混合，對混合物加熱至其成為液體狀態(tài)； (2)將步驟（I)所得的液體繼續(xù)加熱至燃燒； (3)收集步驟（2)燃燒完全后產(chǎn)生的固體，研磨后得到鐵鋁尖晶石。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的合成方法，其特征在于步驟（I)中加熱溫度為100?200°C。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的制備方法，其特征在于步驟（2)中加熱溫度為200?400°C。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種快速燃燒合成高比表面積鐵鋁尖晶石的方法。以硝酸鐵，硝酸鋁，尿素以及三甲胺鹽酸鹽、三乙胺鹽酸鹽、二乙胺鹽酸鹽、二甲胺鹽酸鹽中的一種或幾種為原料，按照物質(zhì)的量比為1:2：（2～8）：（0.1～3）的比例混合，加熱混合物至液體狀態(tài)，繼續(xù)加熱至上述液體燃燒，將所得固體研磨，得到鐵鋁尖晶石材料。本發(fā)明利用尿素及銨鹽為混合燃料，與硝酸鹽發(fā)生氧化還原反應(yīng)，并以燃燒反應(yīng)放出的熱量保證了尖晶石的形成，反應(yīng)放出的大量氣體使材料具有多孔結(jié)構(gòu)及較高的比表面積。制備方法簡單，不需要復(fù)雜設(shè)備，時間短，產(chǎn)品純度高，適合于工業(yè)化批量生產(chǎn)。
【IPC分類】C01G49-00
【公開號】CN104591292
【申請?zhí)枴緾N201410322255
【發(fā)明人】李發(fā)堂, 柴美娟, 趙葉, 劉瑞紅, 郝影娟, 王曉靜
【申請人】河北科技大學(xué)
【公開日】2015年5月6日
【申請日】2014年7月8日