四氧化三鐵空心球的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種四氧化三鐵空心球的制備方法，包括以下步驟：將三價(jià)鐵源在一溶劑熱反應(yīng)介質(zhì)中混合并溶解形成一第一混合溶液，該溶劑熱反應(yīng)介質(zhì)包括水和有機(jī)溶劑；將糖類還原劑加入到該第一混合混合溶液中混合并溶解形成一第二混合溶液，以及將該第二混合溶液進(jìn)行溶劑熱反應(yīng)，得到反應(yīng)產(chǎn)物四氧化三鐵空心球。
【專利說(shuō)明】四氧化三鐵空心球的制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種四氧化三鐵材料的制備方法，尤其涉及一種四氧化三鐵空心球的 制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 納米空心球作為一種新的納米結(jié)構(gòu)，由于其具有輕質(zhì)、強(qiáng)度高、比表面積大、表面 滲透能力等特點(diǎn)，在化學(xué)、材料科學(xué)、生物學(xué)、藥物學(xué)等領(lǐng)域有著廣闊的前景。
[0003] 四氧化三鐵（Fe304)是一種非常重要的尖晶石型鐵氧體，也是應(yīng)用最廣泛的軟磁性 材料之一，常用作磁記錄材料、磁流體的基本材料、磁性顏料、藥物、催化劑和電子材料等， 在諸多領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。目前納米Fe 304的研究主要集中在：（1)改進(jìn)傳統(tǒng)的合 成方法和探索新的合成方法；（2)合成具有特殊形貌的納米Fe 304 ; (3)對(duì)材料表面進(jìn)行改 性；(4)納米Fe304在新領(lǐng)域的應(yīng)用研究。
[0004] 現(xiàn)有技術(shù)中有利用在三價(jià)鐵鹽的溶液中加入表面活性劑聚乙烯吡咯烷酮和尿素 來(lái)高壓反應(yīng)釜中密閉反應(yīng)制備具有多孔結(jié)構(gòu)的Fe304納米球，但是該制備過(guò)程中需要加入 表面活性劑來(lái)控制晶體的形貌和尺寸，結(jié)晶過(guò)程較為復(fù)雜，難以控制，而且洗滌、分離過(guò)程 困難。此外，也有將三氯化鐵、抗壞血酸、尿素在有機(jī)溶劑中混合后制備得到微納結(jié)構(gòu)碳酸 亞鐵多孔球，然后在惰性氣氛下煅燒得到微納結(jié)構(gòu)Fe 304多孔球，該制備方法具有不添加 分散劑、表面活性劑和模板劑，綠色環(huán)保、后期提純工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但是該制備過(guò)程需要 先合成出碳酸亞鐵前驅(qū)體，前驅(qū)體經(jīng)過(guò)煅燒后才能得到Fe 304多孔球，而高溫煅燒工序能耗 高，加大了生產(chǎn)成本，工業(yè)化過(guò)程困難。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 有鑒于此，確有必要提供一種生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、環(huán)保、成本低且易于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn) 的四氧化三鐵空心球的制備方法。
[0006] -種四氧化三鐵空心球的制備方法，包括以下步驟：將三價(jià)鐵源在一溶劑熱反應(yīng) 介質(zhì)中混合并溶解形成一第一混合溶液，該溶劑熱反應(yīng)介質(zhì)包括水和有機(jī)溶劑；將糖類還 原劑加入到該第一混合混合溶液中混合并溶解形成一第二混合溶液，以及將該第二混合溶 液進(jìn)行溶劑熱反應(yīng)，得到反應(yīng)產(chǎn)物四氧化三鐵空心球。
[0007] 與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明實(shí)施例利用水和有機(jī)溶劑的混合作為溶劑熱反應(yīng)介 質(zhì)，并采用糖類作為還原劑，可制備出單分散、物相均勻、純度高的四氧化三鐵空心球結(jié)構(gòu)， 該四氧化三鐵空心球由一維納米顆粒組裝而成。此外，該制備工藝簡(jiǎn)單，原料來(lái)源廣泛，制 備獲得的四氧化三鐵空心球結(jié)構(gòu)形貌可控、易于產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0008] 圖1為本發(fā)明實(shí)施例1合成的四氧化三鐵空心球的掃描電鏡照片。
[0009] 如下【具體實(shí)施方式】將結(jié)合上述附圖進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明。

【具體實(shí)施方式】
[0010] 下面將結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明提供的四氧化三鐵空心球的制備方法作 進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
[0011] 本發(fā)明實(shí)施方式提供一種四氧化三鐵空心球的制備方法，包括以下步驟： S1，將三價(jià)鐵（Fe3+)源在一溶劑熱反應(yīng)介質(zhì)中混合并溶解形成一第一混合溶液，該溶劑 熱反應(yīng)介質(zhì)包括水和有機(jī)溶劑； 52, 將糖類還原劑加入到該第一混合混合溶液中混合并溶解形成一第二混合溶液，以 及 53, 將該第二混合溶液進(jìn)行溶劑熱反應(yīng)，得到反應(yīng)產(chǎn)物四氧化三鐵空心球。
[0012] 在上述步驟S1中，所述三價(jià)鐵源可溶于所述溶劑熱反應(yīng)介質(zhì)。該三價(jià)鐵源可以為 氯化鐵（FeCl 3)、硝酸鐵（Fe(N03)3)。所述三價(jià)鐵源的摩爾量可以為0. 2mmol至20mmol。
[0013] 所述溶劑熱反應(yīng)介質(zhì)為所述水和有機(jī)溶劑的混合液。所述水和有機(jī)溶劑之間相互 混合均勻。所述水可以為蒸餾水。所述有機(jī)溶劑為具有還原性質(zhì)的多元醇。所述有機(jī)溶劑 優(yōu)選為多元醇。優(yōu)選地，所述有機(jī)溶劑與水相互微溶或不溶，即所述有機(jī)溶劑在水中具有較 低的溶解度。采用該在水中溶解度較低的有機(jī)溶劑與水形成的均勻混合液作為所述溶劑熱 反應(yīng)介質(zhì)利于形成空心球結(jié)構(gòu)的四氧化三鐵。該在水中溶解度較低的有機(jī)溶劑優(yōu)選可以為 正丁醇、異丁醇、正戊醇、正己醇以及正庚醇中的至少一種，該類有機(jī)溶劑同時(shí)具有還原性， 能夠?qū)⑷齼r(jià)鐵部分的還原成二價(jià)鐵，形成形貌可控的空心球結(jié)構(gòu)的四氧化三鐵。優(yōu)選地，所 述有機(jī)溶劑為異丁醇。
[0014] 所述水和有機(jī)溶劑的體積比可以為15:1~1:10。采用該體積比范圍內(nèi)的溶劑熱反 應(yīng)介質(zhì)可有效地控制后續(xù)形成空心球結(jié)構(gòu)的四氧化三鐵。優(yōu)選地，所述水和有機(jī)溶劑的體 積比可以為10:1~1:8。更為優(yōu)選地，所述水和有機(jī)溶劑的體積比為2. 5 :1。
[0015] 在上述步驟S1中，形成所述第一混合溶液的步驟進(jìn)一步包括： S11，均勻混合所述水和有機(jī)溶劑形成所述溶劑熱反應(yīng)介質(zhì)，以及 S12,將所述三價(jià)鐵源加入到該溶劑熱反應(yīng)介質(zhì)中混合并溶解形成所述第一混合溶液。
[0016] 在上述步驟S11中可通過(guò)攪拌的方式使有機(jī)溶劑在水中達(dá)到最大的溶解度。
[0017] 在上述步驟S12中，在將所述三價(jià)鐵源加入到該溶劑熱反應(yīng)介質(zhì)的過(guò)程中持續(xù)攪 拌以使所述三價(jià)鐵源充分溶解并與所述溶劑熱反應(yīng)介質(zhì)均勻混合。在該步驟S12中，所述 攪拌的速率可以為l〇〇r/min至3000r/min，所述攪拌的時(shí)間可以為0. 5小時(shí)至2小時(shí)。該 第一混合溶液為一澄清透明溶液。
[0018] 在上述步驟S2中，采用所述糖類還原劑既可利用其還原性能制備獲得四氧化三 鐵，同時(shí)可輔助生長(zhǎng)出空心球結(jié)構(gòu)的四氧化三鐵。所述糖類還原劑可以為葡萄糖、乳糖、半 乳糖、麥芽糖以及果糖中的至少一種。優(yōu)選地，所述糖類還原劑為葡萄糖。
[0019] 優(yōu)選地，所述糖類還原劑相對(duì)于所述三價(jià)鐵源具有較少的含量以更好地形成純相 且形貌為球形的空心結(jié)構(gòu)。優(yōu)選地，所述糖類還原劑與所述三價(jià)鐵源的含量摩爾比可以為 1 :2?1 :200。更為優(yōu)選地，所述糖類還原劑與所述三價(jià)鐵源的含量摩爾比為1 :5?1 :50。更 為優(yōu)選地，所述糖類還原劑與所述三價(jià)鐵源的含量摩爾比為1 :1〇。
[0020] 上述步驟S2可進(jìn)一步包括一攪拌的步驟以使所述糖類還原劑在所述第一混 合溶液中充分溶解且與所述第一混合溶液均勻混合。該步驟中，攪拌速率可以為l〇〇r/ mirT3000r/min，攪拌的時(shí)間可以為0. 5小時(shí)~2小時(shí)。該第二混合溶液仍為一澄清的溶液。
[0021] 在上述步驟S3中，該溶劑熱反應(yīng)在一高壓反應(yīng)釜中進(jìn)行，反應(yīng)的溫度為 120°C ~240°C。所述溶劑熱反應(yīng)釜可為一密封高壓釜，通過(guò)對(duì)該密封高壓釜加壓或利用反應(yīng) 釜內(nèi)部蒸汽的自生壓力使反應(yīng)釜內(nèi)部壓力上升，從而使反應(yīng)釜內(nèi)部的反應(yīng)原料在高溫高壓 條件下進(jìn)行反應(yīng)。該反應(yīng)釜內(nèi)部壓力可以為〇. 2MPa~30MPa，反應(yīng)時(shí)間為2小時(shí)至48小時(shí)， 即可得到四氧化三鐵空心球。在反應(yīng)完畢后，所述反應(yīng)釜可自然冷卻至室溫。
[0022] 進(jìn)一步地，在通過(guò)所述步驟S3得到反應(yīng)產(chǎn)物后，可進(jìn)一步分離提純?cè)摲磻?yīng)產(chǎn)物。 所述分離的方式可以為過(guò)濾或離心分離。本發(fā)明實(shí)施例中采用離心分離的方式分離所述反 應(yīng)產(chǎn)物，所述離心分離的轉(zhuǎn)速可為3000r/min~8000r/min。所述分離后的反應(yīng)產(chǎn)物可進(jìn)一步 進(jìn)行洗滌。本發(fā)明實(shí)施例中采用水和無(wú)水乙醇分別多次洗滌該反應(yīng)產(chǎn)物。
[0023] 所述分離提純后的反應(yīng)產(chǎn)物可進(jìn)一步進(jìn)行干燥以去除溶劑。該干燥可以是真空抽 濾或加熱干燥。所述加熱干燥的溫度可以為60°C~80°C，加熱的時(shí)間可以為12小時(shí)~24小 時(shí)。
[0024] 所述獲得的反應(yīng)產(chǎn)物為粉末狀，該反應(yīng)產(chǎn)物為由一維納米四氧化三鐵顆粒組裝而 成的四氧化三鐵空心球，其中該空心球的直徑為3微米至4微米，該空心球空心部分的直徑 為1.5微米左右。該四氧化三鐵空心球表面粗糙且分布著大量的空隙，具有輕質(zhì)、高比表面 積、高強(qiáng)度和耐熱耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)。
[0025] 本發(fā)明實(shí)施例利用水和有機(jī)溶劑的混合作為溶劑熱反應(yīng)介質(zhì)，并采用糖類作為還 原劑，可制備出單分散、物相均勻、純度高的四氧化三鐵空心球結(jié)構(gòu)，該四氧化三鐵空心球 由一維納米顆粒組裝而成。此外，該制備工藝簡(jiǎn)單，原料來(lái)源廣泛，無(wú)需添加任何分散劑和 表面活性劑，制備獲得的四氧化三鐵空心球結(jié)構(gòu)形貌可控、易于產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。
[0026] 實(shí)施例1 量取25ml的蒸饋水和10ml的異丁醇混合均勻，然后加入5mmol的三氯化鐵，在400r/ min的攪拌速度下，機(jī)械攪拌1小時(shí)，得到均勻的三氯化鐵溶液。稱取0. 5mmol的葡萄糖，溶 解到所述三氯化鐵溶液中，以400r/min的攪拌速度，攪拌1小時(shí)，得到所述第二混合溶液。 將該第二混合溶液轉(zhuǎn)移到具有聚四氟乙烯內(nèi)襯的高壓反應(yīng)釜中，恒溫190°C，反應(yīng)20小時(shí)， 然后自然冷卻到室溫得到所述反應(yīng)產(chǎn)物。將該反應(yīng)產(chǎn)物在5000r/min中的條件下離心分 離，然后用蒸餾水和無(wú)水乙醇各洗滌5次，置于干燥箱中，80°C條件下干燥20小時(shí)得到四氧 化三鐵納米材料。請(qǐng)參閱圖1，從所述四氧化三鐵納米材料的掃描電鏡照片中可以看出，四 氧化三鐵為空心球結(jié)構(gòu)，該空心球的直徑為3微米至4微米，空心部分為1. 5微米左右。
[0027] 另外，本領(lǐng)域技術(shù)人員還可在本發(fā)明精神內(nèi)做其他變化，當(dāng)然，這些依據(jù)本發(fā)明精 神所做的變化，都應(yīng)包含在本發(fā)明所要求保護(hù)的范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1. 一種四氧化三鐵空心球的制備方法，包括以下步驟： 將三價(jià)鐵源在一溶劑熱反應(yīng)介質(zhì)中混合并溶解形成一第一混合溶液，該溶劑熱反應(yīng)介 質(zhì)包括水和有機(jī)溶劑； 將糖類還原劑加入到該第一混合溶液中混合并溶解形成一第二混合溶液，以及 將該第二混合溶液進(jìn)行溶劑熱反應(yīng)，得到反應(yīng)產(chǎn)物四氧化三鐵空心球。
2. 如權(quán)利要求1所述的四氧化三鐵空心球的制備方法，其特征在于，所述三價(jià)鐵源為 氯化鐵或硝酸鐵。
3. 如權(quán)利要求1所述的四氧化三鐵空心球的制備方法，其特征在于，所述溶劑熱反應(yīng) 介質(zhì)中水和所述有機(jī)溶劑的體積比為15:1至1:10。
4. 如權(quán)利要求1所述的四氧化三鐵空心球的制備方法，其特征在于，所述有機(jī)溶劑與 水均勻混合且相互微溶或不溶。
5. 如權(quán)利要求4所述的四氧化三鐵空心球的制備方法，其特征在于，所述有機(jī)溶劑為 正丁醇、異丁醇、正戊醇、正己醇以及正庚醇中的至少一種。
6. 如權(quán)利要求1所述的四氧化三鐵空心球的制備方法，其特征在于，形成所述第一混 合溶液的步驟進(jìn)一步包括： 均勻混合所述水和有機(jī)溶劑形成所述溶劑熱反應(yīng)介質(zhì)，以及 將所述三價(jià)鐵源加入到該溶劑熱反應(yīng)介質(zhì)中混合并溶解形成所述第一混合溶液。
7. 如權(quán)利要求1所述的四氧化三鐵空心球的制備方法，其特征在于，所述糖類還原劑 為葡萄糖、乳糖、半乳糖、麥芽糖以及果糖中的至少一種。
8. 如權(quán)利要求1所述的四氧化三鐵空心球的制備方法，其特征在于，所述糖類還原劑 與所述三價(jià)鐵源的摩爾比為1 :2?1 :200。
9. 如權(quán)利要求1所述的四氧化三鐵空心球的制備方法，其特征在于，所述溶劑熱反應(yīng) 的溫度為120°C至240°C。
10. 如權(quán)利要求1所述的四氧化三鐵空心球的制備方法，其特征在于，所述四氧化三鐵 空心球由一維納米四氧化三鐵顆粒組裝而成。
【文檔編號(hào)】B82Y30/00GK104098144SQ201410296378
【公開(kāi)日】2014年10月15日 申請(qǐng)日期:2014年6月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月27日
【發(fā)明者】劉少軍, 張宏生, 尚玉明, 王莉, 高劍, 李建軍, 羅晶, 何向明, 王要武 申請(qǐng)人:江蘇華東鋰電技術(shù)研究院有限公司, 清華大學(xué)