[发明专利]一种α相三氧化二铁多孔核壳微球及其可控合成制备方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米材料制备领域，具体涉及一种具α相三氧化二铁多孔核壳微球的可控合成制备技术。

背景技术

作为n型半导体，α相三氧化二铁即E_g=2.1 eV具有无毒、低成本、制备工艺简单等特点，使其在涂料、塑料、电子、催化剂、磁记录材料、锂离子电池及气体传感等方面有广泛的应用。三氧化二铁作为锂离子电池电极材料，具有高的理论容量、丰富的含量、较好的循环寿命、便宜和环境友好等优点，被认为是商用石墨类碳材料的理想替代物之一。另外，由于其具较高的气敏性，三氧化二铁还可用于检测空气中的可燃气体和有毒气体。

由于α相三氧化二铁的性能强烈地依赖于它的形貌和结构，其中多孔核壳结构拥有很大的比表面积，这不仅可以为电子和气体分子提供大量的反应活性中心而且还可以缩短电子和气体分子的传输路径。提高锂离子储存容量和气敏性能。

材料的形貌和结构又与制备方法息息相关。近来有文献报道核壳型三氧化二铁的各种合成方法，比如：溶胶凝胶法、水热法和模板法等。其中，模板法应用的较为广泛，模板法又分为硬模板法和软模板法。常用的硬模板有介孔二氧化硅和无机碳球等，软模板有表面活性剂和长链聚合物等。H. Qian等人在Nanotechnology 2007, 18, 355602–355608报道了采用碳球作为硬模板制备α-Fe₂O₃中空纳米球。而Zhong等人报道了采用PVP作为表面活性剂并通过煅烧后处理制备了中空核壳Fe₂O₃ 微球。模板法的弊端是产率较低、生产成本高、模板移除过程中可能会破坏产品的结构、产物分离困难。同时这些方法往往采用多步反应，无法根据实际需要对产物的粒径进行快速调节，不利于工业化生产。因此，需要寻找一种方法简单，成本低，绿色环保，产率高，并且形貌均一可控的方法合成多孔核壳结构α三氧化二铁。

发明内容

本发明的目的在于提供一种α相三氧化二铁多孔核壳微球及其可控合成制备方法，以简化方法、减少环境污染、降低成本，并使产物多孔核壳结构α相三氧化二铁的形貌可控。

为了解决以上技术问题，本发明采用的具体技术方案如下：

一种α相三氧化二铁多孔核壳微球，其特征在于：所述微球由纳米粒子组装而成，微球的平均直径为3 μm，所述核与壳都由平均粒径为200 nm的纳米粒子组成，所述壳的平均厚度100 nm，所述核的上面均匀布满孔径为40 nm的小孔。

根据所述的一种α相三氧化二铁多孔核壳微球的可控合成制备方法，包括反应体系的配制，水热反应，对产物的分离、洗涤和干燥过程，其特征在于还包括以下几个步骤：

步骤一，以水溶性三价铁盐为铁源，去离子水和无水乙醇为溶剂，室温下形成均一溶液A；所述水溶性三价铁盐、去离子水、无水乙醇三者的质量比为：1~10 : 0~74 : 59~0；

步骤二，将所述溶液A转移到不锈钢反应釜内胆中，然后将反应釜放入烘箱中，在温度为100~200℃条件下，水热反应0.5~12小时后，自然冷却至室温，即得产物一；

步骤三，将产物一进分行离心处理后，用去离子水和无水乙醇洗涤，再在70 ℃下干燥24小时后，即得α相三氧化二铁多孔核壳微球。

所述水溶性三价铁盐为三氯化铁、硝酸铁或硫酸铁中任一种。

本发明具有有益效果。一发明具有具有优越的储锂性能和对二氧化氮气体的高度敏感性特点。本发明制备过程通知使用无机可溶性铁盐为原料，以去离子水和无水乙醇为溶剂，通过一步水热法直接制备α相三氧化二铁多孔核壳微球，从而不需要添加分散剂和表面活性剂，并且无需使用模板使得后期处理方便，制备工艺简单、产量大、原料环保且廉价，利于大规模工业化生产，所得最终产物具有优良的锂电和气敏性能。本发明用作锂离子电池电极材料时，可逆充放电容量可达728 mAh/g左右，并且具有较好的循环寿命；用作气敏材料时，对二氧化氮气体表现出很高的敏感性。

附图说明

图1为本发明实施例1中所制备α相三氧化二铁多孔核壳微球的扫描电镜照片。

图2为本发明实施例1中所制备α相三氧化二铁多孔核壳微球的单个球的扫描放大照片。

图3为本发明实施例1中所制备α相三氧化二铁多孔核壳微球的透射电镜照片，内嵌图为电子衍射图。

图4为本发明实施例1中所制备α相三氧化二铁多孔核壳微球的XRD图。