[发明专利]一种液相传输制备α-氧化铁薄膜的方法

说明书

本发明提供一种液相传输制备α‑氧化铁薄膜的方法，包括如下步骤：将草酸或草酸盐与硝酸盐溶于蒸馏水配成混合溶液，调节混合溶液的pH为1‑3；将混合溶液倒入高压反应釜的内衬中；向高压反应釜的内衬中加入固态含铁化合物粉末；将清洗过的导电玻璃基片放入高压反应釜内衬的混合溶液中，密封高压反应釜；将高压反应釜置于烘箱中反应后，自然冷却；取出沉积有α‑氧化铁薄膜的导电玻璃基片，用蒸馏水冲洗、自然干燥，得到α‑氧化铁薄膜。本发明可以避免使用高纯度可溶性铁盐前驱体，方法简便、操作方便，既能用于制备光电薄膜，又能循环利用含铁固体废弃物。

技术领域

本发明涉及无机非金属材料制造技术领域，具体涉及一种液相传输制备α-氧化铁薄膜的方法。

背景技术

随着社会的高速发展，能源短缺日益严重，环境污染日渐加重，这便导致了可持续发展及地球自我修复的难度。钢铁锈蚀造成重大损失是一个长期困扰各国的难题，同时大量的固体废弃物铁锈。为了实现可持续性发展，需要开发新的可再生洁净能源，且回收利用各种废弃物、污染物，以实现资源的循环利用。光电化学技术利用太阳光在半导体表面分解水制氢或者还原二氧化碳而直接储存太阳能，具有重要的研究应用价值。α-氧化铁(α-Fe₂O₃)作为一种地壳常见元素组成的金属氧化物，其储量丰富、化学性能稳定并且无毒无害，同时其禁带宽度适中(2.0～2.2电子伏特)、光吸收良好，在紫外光到可见光范围均表现出较好的光电化学响应，所以可以在有色玻璃、光解水制氢、气敏、烟敏传感器等领域广泛应用。

α-氧化铁薄膜的制备方法主要分为水热法、溶胶凝胶法、化学气相沉积法、原子层沉积法、溅射法等。其中溶胶凝胶法薄膜附着性、致密性差，需要多次沉积、高温烧结处理。化学气相沉积法、原子层沉积法和溅射法成本较高。水热法具有温和、操作方便、低成本等优势。专利CN200810116141.4采用二价铁盐、氢氟酸与氨水的混合溶液，在50-80度反应2～4h先制备出β-FeOOH薄膜，经500-700℃培烧转化为α-Fe₂O₃薄膜。CN201410467792.3将覆有TiO₂薄膜的FTO导电玻璃浸入乙酰丙酮铁-正丁醇溶液中，将该容器放于盛有氨水和去离子水的内胆中、反应釜密封后在100-160℃下反应6h，所得薄膜经过焙烧得到三氧化二铁薄膜。专利CN201510342675.9以柠檬酸高铁铵或草酸高铁铵为原料以FTO导电玻璃为基片，在90-200度下水热沉积得到牢固致密的α-氧化铁薄膜。专利CN201510156402.5在ITO导电玻璃上，以三价铁盐和草酸盐溶液在160～200℃下反应4～12h得到氧化铁薄膜。专利CN201610768535.2采用钛磷共修饰的FTO导电玻璃为基片，在含铁的无机盐和矿化剂水溶液中水热反应3～5h，然后基片在500～600℃和700～800℃下退火得到钛磷共掺杂氧化铁薄膜。上述方法都需要可溶性铁盐作为反应前驱体，不能利用固体废弃物铁锈。

铁锈主要成份为含水氧化铁，以及其他各种铁的氧化物，低成本高效回收利用的方法仍然不多。专利CN201010106319.4公开了一种利用废酸洗液回收氯化亚铁，控制反应温度、沉淀剂、pH值和空气流量来生产氧化铁纳米粉末的方法。专利CN201110063266.7公开了一种利用草酸溶液处理赤泥，利用紫外光或太阳光诱发的光化学反应获得结晶草酸亚铁的方法。专利CN201210316841.4采用共沉淀法从污泥中回收Fe³⁺，添加Fe(II)盐并调节到碱性，制备得到磁性氧化铁黑粉末。专利CN201310393851.2公开了一种使用震荡污泥为原料，经过加热去除草酸和草酸钠来生产氧化铁红的方法，其产品的纯度为90％。以固态含铁化合物为原料，直接制备α-氧化铁薄膜的技术尚属空白。

发明内容

本发明的目的是提供一种液相传输制备α-氧化铁薄膜的方法，采固态含铁化合物，以草酸(或草酸盐)和硝酸钠(或其他可溶硝酸盐)的混合溶液作为传输介质，水热制备得到致密的α-氧化铁薄膜，可以避免使用高纯度可溶性铁盐前驱体，方法简便、操作方便，既能用于制备光电薄膜，又能循环利用含铁固体废弃物。