[发明专利]铁氧化物空心微球及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及铁氧化物空心微球及其制备方法，具体涉及铁氧化物空心微球和使用离子液体辅助微波水热制备的方法，属于纳米材料制备领域。

背景技术

室温离子液体(简称为离子液体)是由阳离子和阴离子组成的在室温或近于室温下呈液态的盐类。由于离子液体无蒸汽压(不挥发)，不燃烧，导电性好，热稳定性较高，在宽广的温度范围内处于液态状态，可以溶解许多有机物，并可循环使用，因此离子液体是一种新型的优良溶剂。离子液体不会对环境造成污染，是环境友好的绿色溶剂。更重要的是离子液体是吸收微波的优良介质。近年来，离子液体在无机纳米材料合成中的应用越来越多，很多纳米材料在离子液体的辅助下被制备出来，包括TiO₂空心球与纳米晶，Bi₂S₃与Sb₂S₃纳米棒，Bi₂Se₃纳米片，PbCrO₄与Pb₂CrO₅纳米棒，金纳米颗粒与纳米片，以及用作可循环催化剂的钯、铱、铂纳米颗粒等。然而，与其在有机合成中的应用相比，离子液体在无机合成中的应用仍处于初级阶段，需要探索如何充分利用离子液体的优点来制备无机纳米材料。

同传统水热法相比，微波水热法具有快速升温、加快反应速率以及节省能源等优点。更重要的是，微波水热法和传统水热法相比可以大大缩短材料制备所需时间。离子液体是吸收微波的优良介质，反应体系中添加离子液体能够大大提高加热速率。但是，离子液体同微波技术相结合的应用大多数聚焦于开放的反应体系。如能将离子液体的特点与微波水热技术(封闭的反应体系)相结合，将获得传统水热无法比拟的材料产出效率。

铁氧化物是一类很重要的功能材料。例如，α-FeOOH常被用作催化剂、电极材料和重金属离子的吸附材料等。同时，α-FeOOH也是制备α-Fe₂O₃和γ-Fe₂O₃的重要前驱体。而α-Fe₂O₃是通常条件下最稳定的铁氧化物和n型半导体，被用作催化剂、颜料、传感器和锂电池的电极材料等。α-Fe₂O₃也是制备γ-Fe₂O₃的重要原料。通常情况下，人工合成的纳米α-FeOOH为针状材料，或是由针状材料聚集成的束状材料。本发明采用离子液体辅助微波水热法制备出了由纳米颗粒组装成的α-FeOOH空心微球，并且进一步通过热处理制备出了纳米颗粒组装成的α-Fe₂O₃空心微球。所采用的制备方法不需要模板，从而免除了去除模板的复杂后续步骤，更重要的是，它是一种快速、节能和环境友好的绿色方法。

发明内容

本发明提供了一种铁氧化物空心微球的离子液体辅助微波水热制备方法。该方法首先利用β-FeOOH纳米颗粒的定向聚集得到β-FeOOH纳米长方体，纳米长方体通过自组装得到β-FeOOH花状结构，这些花状结构通过奥斯特瓦尔德熟化原理，不断从外至内溶解β-FeOOH，并通过重结晶作用形成α-FeOOH空心微球。将α-FeOOH空心微球进行煅烧，可以得到α-Fe₂O₃空心微球。

本发明方法具体制备工艺如图1所示。具体步骤如下：

1.液相反应体系的配制：以离子液体和水作为溶剂，以可溶性三价铁盐和弱碱为原料来配制反应体系，通过搅拌来获得均一溶液。所述的离子液体和水的体积比为1/100-1/5之间，可溶性三价铁盐的浓度为0.01-0.2摩尔/升，弱碱的浓度为0.01-0.4摩尔/升。

2.将均一溶液在120-220℃下进行微波水热处理，微波水热处理时间为5-60分钟。

3.对微波热处理后的液相反应体系中的产物进行分离，对分离出的产物进行洗涤和干燥处理，干燥温度为20-100℃，在空气中干燥，得到α-FeOOH空心微球纳米粉末。

4.将α-FeOOH空心微球纳米粉末在空气中煅烧，得到α-Fe₂O₃空心微球纳米粉末。煅烧温度为200-600℃，煅烧时间不少于1小时。

本发明提供的制备方法得到的铁氧化物纳米材料包括α-FeOOH和α-Fe₂O₃，它们具有纳米颗粒组装成的空心微球结构。