[发明专利]一种以铁菱锌矿为原料的纳米铁酸锌的制备方法

说明书

本发明涉及气敏传感器领域，公开了一种以铁菱锌矿为原料的纳米铁酸锌的制备方法，包括：1）将铁菱锌矿在干燥空气气氛下球磨粉碎，获得菱锌矿和褐铁矿的混合粉末；2）将稀硫酸缓慢滴加到混合粉末当中，去除杂质并使用球磨搅拌，获得硫酸铁和硫酸锌的水溶液；3)将稀氢氧化钠缓慢滴加到所得溶液当中，球磨搅拌得到胶体沉淀液；4）倒入无水乙醇，在干燥空气气氛下球磨搅拌洗涤，将胶体沉淀液过滤筛选、烘干，得到纳米粉末；5）将粉末放入马弗炉中煅烧获得铁酸锌纳米微粒。通过本发明可以快速环保地制备出纳米级铁酸锌材料，为金属氧化物半导体气敏传感器提供材料，对我国气敏传感器产业的发展具有非常重要的现实意义。

技术领域

本发明涉及气敏传感器领域，尤其涉及一种以铁菱锌矿为原料的纳米铁酸锌的制备方法。

背景技术

菱锌矿是最常见的氧化锌矿物，其主要成分为碳酸锌、氧化锌和少量二氧化碳。菱锌矿通常有两种类型，即含铁的和不含铁的。其中，铁菱锌矿中铁的主要形态为碳酸铁。除此之外，铁菱锌矿中一般还有铅盐、钙盐、亚铁盐、铜盐、镉盐、铝盐、镁盐和二氧化硅等杂质。发生氧化时,铁菱锌矿会逐渐分解成菱锌矿和褐铁矿的混合物。

现今社会人们越来越重视空气质量，为了提高气敏传感器的检测性能，新的气敏元件材料被不断地研发出来。其中，金属氧化物半导体纳米材料由于其对气体的高敏感度和高稳定性，成为了气敏传感器领域的新宠。具有分级结构的纳米铁酸锌更是对甲醛有着出色的选择性，成为气敏材料的研究重点。

但是，现阶段的纳米金属氧化物半导体材料的制备方法，如水热法、共沉淀法、溶胶-凝胶法等，要不是成品低劣，制备不出性能优异的产品，要不就是步骤复杂，只能在实验室里少量制作，缺乏工业化条件。因此，在尽可能减少对环境的污染的前提下，如何快速大量地制备出性能优异的纳米金属氧化物半导体材料成为了对气敏传感器领域的重要方向。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种以铁菱锌矿为原料的纳米铁酸锌的制备方法。本发明通过铁菱锌矿在氧气作用下分解成为菱锌矿和褐铁矿，滴入稀硫酸形成Zn²⁺和Fe³⁺的混合溶液，再通过氢氧化钠调节pH值，在机械力作用下形成锌/铁胶体，通过水热反应形成金属氧化物前驱体，最后通过煅烧制备出纳米铁酸锌微粒。该方法制备的铁酸锌微粒粒径分布均匀，结构统一，气敏性能优秀，几乎所有过程都可以在球磨机里完成而且全程几乎没有出现有毒有害性废气，操作过程简单、无毒、无害、绿色环保。

本发明的具体技术方案为：一种以铁菱锌矿为原料的纳米铁酸锌的制备方法，以g和ml计，包括以下步骤：

1)初步粉碎过程：将50-60g铁菱锌矿放入球磨机，在注氧条件下粉碎30-40min，转速为180-190r/min，获得菱锌矿和褐铁矿的混合粉末。

本发明在步骤1)中使用铁菱锌矿粉碎成颗粒并以O₂氧化形成菱锌矿和褐铁矿，球磨机的机械力作用使得金属氧化物和金属盐微粒活化，有利于接下来的反应。铁菱锌矿在矿藏丰富，成本低廉，而且能在反应时同时取得Zn元素和Fe元素，生产效率更高。

2)除杂过程：在球磨机中，将球磨机转速匀速提升到190-200r/min，将混合粉末进一步粉碎，然后进行以下步骤的除杂：

①在注氧条件下，缓慢倒入稀硫酸160-175ml，获得主要成分为硫酸铁和硫酸锌的水溶液，溶液中的铅、钙离子形成几乎不可溶解的硫酸盐沉淀，溶液中的二价铁离子被氧化成三价铁离子，同时反应生成的二氧化碳被氧气带走，过滤去除杂质；

②在注氧条件下，缓慢倒入缓慢加入铁粉5-6g，溶液中的铜、镉、铅离子被置换出来形成沉淀，溶液中的二价铁离子被氧化成三价铁离子，过滤去除杂质；

③在注氧条件下，加入氢氧化钠使pH＝4.8-5，溶液中的三价铁离子和铝离子形成氢氧化物沉淀，过滤，沉淀保留；