申请日2005.12.21
公开(公告)日2007.06.27
IPC分类号C01G49/06; C01G49/08; C02F1/28; C02F101/30; C02F101/10; C02F101/20; C02F1/48
摘要
一种铁的氧化物纳米材料，分别为α-Fe2O3、γ-Fe2O3和Fe3O4，其表面由纳米颗粒组成多孔结构，具有三维自组装结构。其制备方法为：a)在二醇类有机溶剂中加入铁盐、尿素和保护剂，搅拌溶解，获得混合物溶液;b)搅拌下，加热步骤b的混合物溶液获得铁氧化物前体分散液;c)洗涤沉淀物，60-100℃干燥，得到铁氧化物前体;d)步骤c得到的铁氧化物前体于30-50℃/分钟升温速率下，从室温升至500℃灼烧2-5小时，得到目标产物。本发明的铁的氧化物纳米材料可以应用在水处理中，以除去水中重金属离子或其它有毒离子，以及水中的有机污染物。
权利要求书
1.一种铁的氧化物纳米材料，分别为α-Fe2O3、γ-Fe2O3和Fe3O4，其 表面由纳米颗粒组成多孔结构。
2.根据权利要求1所述的铁的氧化物纳米材料，其特征在于，其中 铁的氧化物纳米材料具有三维自组装结构。
3.制备权利要求1所述铁的氧化物纳米材料的方法，其步骤如下：
(a)在二醇类有机溶剂中加入铁盐、尿素和保护剂，按摩尔浓度计， 铁盐∶尿素∶保护剂=0.002-0.025∶0.02-0.25∶0.01-0.25mol/L，搅拌溶解，获得 混合物溶液;
所述保护剂为十六烷基三甲基溴化铵、四丁基溴化铵、聚乙烯基吡咯 烷酮和/或聚乙二醇;
(b)搅拌下，加热步骤b的混合物溶液至120-195℃，20-120min后获 得铁氧化物前体分散液;
(c)洗涤沉淀物，60-100℃干燥，得到铁氧化物前体;
(d)步骤c得到的铁氧化物前体于30-50℃/分钟升温速率下，从室温 升至500℃灼烧2-5小时，得到目标产物。
4.根据权利要求3所述的铁的氧化物纳米材料的制备方法，其特征 在于，其中铁盐为氯化铁、硝酸铁和/或硫酸铁。
5.根据权利要求3所述的铁的氧化物纳米材料的制备方法，其特征 在于，其中步骤d中，于空气气氛中灼烧2-3小时，得到α-Fe2O3纳米材 料。
6.根据权利要求3所述的铁的氧化物纳米材料的制备方法，其特征 在于，其中步骤d中，于氮气或惰性气氛中灼烧2-3小时，得到Fe3O4纳 米材料。
7.根据权利要求6所述的铁的氧化物纳米材料的制备方法，其特征 在于，将Fe3O4纳米材料置于空气气氛中，在200-300℃下灼烧4-6小时， 得到γ-Fe2O3纳米材料。
8.权利要求1或2所述铁的氧化物纳米材料在水处理中的应用，除 去水中重金属离子或其它有毒离子，以及水中的有机污染物。
9.根据权利要求8所述铁的氧化物纳米材料在水处理中的应用，其 特征在于，其中重金属离子或其它有毒离子为铅(Pb)、镉(Cr)、铜(Cu)、砷 (As)中的一种或者多种离子;其中有机污染物为染料、苯酚、氯仿、氯苯 中的一种或多种。
10.根据权利要求9所述铁的氧化物纳米材料在水处理中的应用，其 特征在于，其中染料为橙黄II、酸性红、曙红中的一种或多种。
说明书
铁的氧化物纳米材料、制备方法及其在水处理中的使用
技术领域
本发明涉及一种铁的氧化物纳米材料。
本发明还涉及上述材料的制备方法。
本发明还涉及上述材料的应用。
背景技术
随着纳米科技的发展，纳米材料科学已经成为当前材料科学发展的一 个不可或缺的重要领域。从某种意义上来说，纳米材料研究的进展势必把 物理、化学、生物等许多学科推向一个新的层次，同时也会给21世纪整 个科学的研究带来新的机遇。纳米材料包括零维、一维、二维和三维纳米 材料。尺寸大小、形貌、维度等因素强烈影响着材料的各种性能并很大程 度上决定其应用前景。近年来，具有三维自组装结构的纳米材料激发起科 学家们越来越大的研究兴趣。一方面，三维自组装纳米材料相比于低维材 料，具有截然不同的性能，因此也就具有新颖的不同的应用前景;另一方 面，生命体的许多组成基元，如细胞膜、DNA和蛋白质等，本身就具有 三维的自组装纳米结构，因此，三维自组装纳米材料的研究可有助于解释 许多未解的生命现象，反过来，众多的生命组成基元的研究也可以给三维 自组装纳米材料的研究带来新的启发。
常见的铁的氧化物主要是α-Fe2O3、γ-Fe2O3和Fe3O4，其中，α-Fe2O3 属于刚玉结构，而γ-Fe2O3和Fe3O4则同属于尖晶石结构。铁的氧化物纳米 材料已广泛应用于信息储存、能源、催化、环境保护等众多领域。到目前 为止，铁的氧化物纳米材料的研究主要集中在低维材料上。铁的氧化物的 多种低维纳米材料，如纳米晶、纳米线、纳米管和纳米带等已被成功制备 出来，且其形成机理和应用潜力也得到了广泛的研究。与低维纳米材料比 较，鲜有关于铁的氧化物三维纳米材料的报道。三维纳米材料的制备，最 好的途径就是通过自组装的过程来实现，这种方式可以有效节约原料和能 源。在已有关于铁的氧化物三维纳米材料的报道中，所采用的铁源原料往 往是毒性大、价格昂贵的铁盐，且反应往往需要在苛刻的水热条件下进行， 这很大程度上限制了这些材料的应用。此外，在关于铁的氧化物纳米材料 的已有文献报道中，所得到的纳米材料往往只是一种氧化物，要实现多种 铁的氧化物之间的转变，则需要采用冗长复杂的步骤。因此，发展一种采 用廉价无毒的铁盐作为原料，通过自组装过程来制备铁的氧化物三维纳米 材料的技术是十分必要的，同时，如果能通过简单的过程就可以分别得到 不同的铁的氧化物，必将大大降低制备成本和拓宽铁的氧化物的应用前 景。
水污染所造成的环境问题给人类的健康带来巨大的威胁并严重影响 社会的可持续发展。近年来，单质铁或铁的氧化物在水处理中的应用得到 了相关研究人员越来越多的关注。单质铁和铁的氧化物已广泛应用于去除 水中的重金属离子或其它有害离子及各种有机污染物。如将单质铁或铁的 氧化物做成纳米材料，因其具有很高的比表面积，必能大大提高这些材料 在水处理中的性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种铁的氧化物纳米材料。
本发明的又一目的在于提供上述材料的制备方法。
为实现上述目的，本发明提供的铁的氧化物纳米材料，分别为α-Fe2O3、 γ-Fe2O3和Fe3O4，其表面由纳米颗粒组成多孔结构。
所述铁的氧化物纳米材料，其中铁的氧化物纳米材料具有三维自组装 结构。
本发明提供的制备上述材料的方法，其步骤如下：
(a)在二醇类有机溶剂中加入铁盐、尿素和保护剂，其中，铁盐、尿 素和保护剂的摩尔浓度范围分别为0.002-0.025mol/L、0.02-0.25mol/L和 0.01-0.25mol/L，搅拌溶解，获得混合物溶液;
所述保护剂为十六烷基三甲基溴化铵、四丁基溴化铵、聚乙烯基吡咯 烷酮和/或聚乙二醇;
(b)搅拌下，在120-195℃温度范围内加热步骤b的混合物溶液，加热 20-120min后获得铁氧化物前体分散液;
(c)洗涤沉淀物，60-100℃干燥，得到铁氧化物前体;
(d)步骤c得到的铁氧化物前体于30-50℃/分钟升温速率下，从室温 升至500℃灼烧2-5小时，得到目标产物。
所述的制备方法，其中铁盐为氯化铁、硝酸铁和/或硫酸铁。
所述的制备方法，其中步骤d中，于空气气氛中灼烧2-3小时，得到 α-Fe2O3纳米材料。
所述的制备方法，其中步骤d中，于氮气或惰性气氛中灼烧2-3小时， 得到Fe3O4纳米材料。
所述的制备方法，将Fe3O4纳米材料置于空气气氛中，在200-300℃ 下灼烧4-6小时，得到γ-Fe2O3纳米材料。
本发明提供的铁的氧化物纳米材料可以应用在水处理中，以除去水中 重金属离子或其它有毒离子，以及水中的有机污染物。如：铅(Pb)、镉(Cr)、 铜(Cu)、砷(As)等及其混合物组成组中的任何一种或者多种离子;其中所 述有机污染物包括选自例如橙黄II、酸性红、曙红等染料和苯酚、氯仿、 氯苯等其它有机污染物及其混合物组成组中的任何一种或者多种有机污 染物。
本发明提供一种简单、经济的大规模制备铁的氧化物纳米材料的技 术，采用的铁源原料为廉价无毒的铁盐，同时反应条件要求不高，无需在 水热条件下进行，
本发明得到的三种铁的氧化物：α-Fe2O3、γ-Fe2O3和Fe3O4均保持与前 体一致的三维自组装结构的形貌，但已由光滑表面转变为由纳米颗粒组成 的多孔结构，因此具有较高的比表面积。
与其它现有制备技术比较，本发明具有以下特点：
1.本发明所采用的铁源为廉价无毒的铁盐，所加入的尿素亦廉价无 毒，反应条件要求不高，因而具有简单经济、能耗低、操作方便和便于实 现规模化生产的优点。
2.在本发明中，通过在不同条件下灼烧同一铁的前体，就可以很方 便得到三种铁的氧化物，无需采用冗长复杂的转换过程。
3.在本发明中灼烧所得到的三种铁的氧化物均能保持与前体一致的 三维结构形貌。
4.在本发明中灼烧所得到的三种铁的氧化物表面均具有由纳米颗粒 组成的多孔结构，因而比表面积很高。
5.本发明的铁的氧化物纳米材料在水处理方面表现出很好的去除污 染物的能力。此外，所得到的铁的氧化物纳米材料在催化、传感和信息储 存等领域具有广泛的应用潜力。