[发明专利]一种多孔铁氧化合物微纳米球及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及功能材料技术领域，具体为一种多孔铁氧化合物微纳米球及其制备方法。

背景技术

铁元素在地壳中的丰度在所有元素中排在前五位，因而铁氧化合物的价格低廉。同时，铁氧化合物的种类丰富，其中常见的铁氧化合物包括Fe₃O₄、γ-Fe₂O₃和α-Fe₂O₃，且具有稳定性高和环境友好等特点。因此，铁氧化合物在催化、锂离子电池和生物应用中表现出巨大的应用前景。多孔铁氧化合物可以同时具有磁性和高的比表面积，而这两种性质是污染物降解、吸附分离、催化、生物载药等应用极力追求的两种性质。因此，开发简便、快捷、廉价、大规模合成铁氧化合物的方法一直是国内外研究者的一个重要目标。

目前，制备多孔铁氧化合物的方法主要有两类，软模板法和硬模板法。在软模板法中，以聚合物分子或者表面活性剂小分子为模板，利用铁源会围绕模板分子成核和长大，从而形成的铁氧化合物微纳米结构中会包含模板分子，进一步除去模板分子得到多孔铁氧化合物。除去模板分子的方法一般有有机溶剂清洗和煅烧两种方法，对于聚合物分子模板一般很难通过有机物溶剂清洗的方法除去，则必须通过煅烧的方法除去。如LongKuai等人采用三嵌段聚合物作为模板采用超声喷雾的方法制备了多孔铁氧化合物(Aerosol-spraydiversemesoporousmetaloxidesfrommetalnitrates,Sci.Rep.2015,5:9923.)，该方法制备的微纳米结构需要后续高温煅烧才能够除去聚合物分子形成多孔铁氧化合物，在煅烧过程中可能会导致表面积碳，对后续的应用不利。在硬模板法中，模板一般为多孔材料，需要先将铁源装进模板的孔中，然后反应形成铁氧化合物，最后选择性地除掉模板。要得到多孔铁氧化合物，需要硬模板中的孔相互交联，否则在除去模板后，铁氧化合物就会离散，而无法形成多孔材料。另外，硬模板法很难制备出孔径在介孔以下的多孔铁氧化合物。可以看出，无论是软模板还是硬模板法，都需要后续的处理除去模板，才能够得到多孔铁氧化合物。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种多孔铁氧化合物微纳米球及其制备方法，不依赖于特殊模板剂，不需要去除模板剂，一步法得到多孔铁氧化合物微纳米球，操作简便快捷，适于大规模生产制备多孔铁氧化合物微纳米球。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种多孔铁氧化合物微纳米球的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，制备能够在醇中分散的牺牲剂纳米颗粒胶体溶液；在室温条件下，向浓度为0.01～100nM的以十六烷基铵类分子为表面活性剂的牺牲剂纳米颗粒胶体溶液中加入等体积且浓度为1～10mM的聚合物溶液，将所得溶液在室温搅拌5～14小时，离心去掉上清液，得到能够在醇中分散的牺牲剂纳米颗粒胶体溶液；

步骤2，制备铁氧化合物前驱体溶液；将铁源、多元醇、无水乙酸钠和牺牲剂纳米颗粒胶体溶液配置成前驱液，配制比例为铁源：无水乙酸钠：多元醇：牺牲剂纳米颗粒胶体溶液＝(1～10mmol)：(7～50mmol)：(700～750mmol)：(1～100×10^-6mmol)，在常温下持续搅拌5～15分钟得到铁氧化合物前驱体溶液；

步骤3，制备多孔四氧化三铁微纳米球；将上述铁氧化合物前驱体溶液进行溶剂热反应，升温速率为0.1～5℃/min，溶剂热反应温度为180～200℃，溶剂热反应时间为4～24h，随后将反应混合液自然冷却至室温；收集黑色沉淀，并用洗涤剂多次洗涤，将黑色沉淀在25～80℃下真空干燥1～24h，以得到不同晶化程度的多孔四氧化三铁微纳米球。

优选的，还包括步骤4，制备多孔三氧化二铁微纳米球：将步骤3得到的多孔四氧化三铁微纳米球进行煅烧，升温速率为0.1～5℃/min，煅烧温度为200～900℃，煅烧时间为1～9小时，以得到不同晶化程度的多孔三氧化二铁微纳米球。

优选的，所述步骤1中，牺牲剂纳米颗粒胶体溶液中的纳米颗粒为金纳米颗粒、银纳米颗粒、铜纳米颗粒及钯纳米颗粒中的至少一种。

优选的，作为阳离子表面活性剂的十六烷基铵类分子包括十六烷基三甲基溴化铵、十六烷基三乙基溴化铵、十六烷基三丙基溴化铵或十六烷基三丁基溴化铵、十六烷基三甲基氯化铵。

优选的，所述步骤1中，聚合物为巯基聚乙二醇、聚苯乙烯磺酸钠和聚乙烯醇中的任意一种。