一种分散Fe2O3制备方法与流程

本发明属于材料技术领域，涉及一种α-fe2o3纳米材料的制备方法。

背景技术：

上世纪七八十年代，氧化铁系气敏性材料被开发，其它半导体材料如zno和sno2等气敏性材料尽管已经发展得比较完善，但是大多数的都需要依靠掺杂一定量的贵金属才能使它们的灵敏度有所提高。然而氧化铁系气敏性材料却与此相反，在添加普通金属离子的情况下就可以有较好的气敏特性，而且此类气敏性材料在基底材料上有优异的附着性，所以制作气敏元件更加方便。氧化铁系气敏性材料已经和zno、sno2一起，成为了三大气敏性材料。其中，α-fe2o3是氧化铁系气敏性材料中用于制作气敏元件最主要的一种。该材料在锂离子电池、气体传感器、磁性材料、颜料、催化剂等方面的应用研究是非常有意义的。而且具有特殊的尺寸和形状能够引起相应性能的改变，正是因为这一特性使得对该材料的研究大大增加。与此同时，现代工业的迅速发展、人们对家居环境的日益重视以及新兴产业的迅速崛起等更进一步地拓宽了气敏传感器的应用范围和潜在价值。因此，对α-fe2o3纳米材料气敏性能的深入研究和改进是非常有意义的。但是面对待测气体种类繁多，使用环境复杂多变等问题，该材料的灵敏度和选择性还不能完全满足实际需求，需要继续改进制备方法来进一步提高材料的气敏性能。

如今，人们对美好的生活需求日益增长。但是，随着时代的发展，工业生产发展更加迅速。会产生越来越多的毒性气体、可燃性气体和易爆性气体，污染环境，影响人们的健康生活。半导体金属氧化物气敏元件可作为监控检测仪器，能够灵敏、准确和有效地监控检测这些有害可燃性气体，其中α-fe2o3气敏性材料具有很好的气敏性和稳定性，能够比较准确地预报和检测有害气体。因此，使用该材料研发制备的检测监控设备是非常有前途的。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种分散fe2o3制备方法，本发明的有益效果是制备方法简单高效，并且花粉不仅可以起到提高分散性、塑造形貌的作用，还可以增强灵敏度、提高选择性等作用。

本发明所采用的技术方案是按照以下步骤进行：

1.称取fe(no3)3·9h2o溶解于去离子水中得溶液a；

2.搅拌状态下向溶液a中加入去离子水，持续搅拌得溶液b；

3.在搅拌状态下将一小药匙edta乙二胺四乙酸加入溶液b中，持续搅拌，得溶液c；

4.称取三水合乙酸钠，搅拌状态下加入去离子水并持续搅拌得溶液d；

5.在搅拌状态下将溶液d迅速加入到溶液c中，持续搅拌，得溶液e；

6.将e溶液导入聚四氟乙烯反应釜内衬中，封闭反应釜，置于烘箱中反应；

7.取出反应釜，置于室温下，待完全冷却后将产物倒出，用去离子水反复洗涤，最后用乙醇洗涤，取样并干燥，获得目标产物；

8.将目标产物在马弗炉高温煅烧半个小时后获得最终产物三氧化二铁纳米材料。

进一步，

1称取fe(no3)3·9h2o2.0200g，溶解于20ml去离子水中得溶液a；

2.搅拌状态下向溶液a中加入30ml去离子水，持续搅拌5min得溶液b；

3.在搅拌状态下将一小药匙edta乙二胺四乙酸加入溶液b中，持续搅拌10min，得溶液c；

4.称取三水合乙酸钠4.0824g，搅拌状态下加入20ml去离子水并持续搅拌5min得溶液d；

5.在搅拌状态下将溶液d迅速加入到溶液c中，持续搅拌10min，得溶液e；

6.将e溶液导入100ml聚四氟乙烯反应釜内衬中，封闭反应釜，置于烘箱中120℃下反应6h；

7.取出反应釜，置于室温下至少6h，待完全冷却后将产物倒出，用去离子水反复洗涤10次，最后用乙醇洗涤2-3次，取样并干燥，获得目标产物；

8.将目标产物在马弗炉500℃下煅烧半个小时后获得最终产物三氧化二铁纳米材料。

附图说明

图1是fe2o3(n)的x射线衍射图谱；

图2是fe2o3(n)和fe2o3(p)的透射电镜图片；

图3是fe2o3(p)在不同温度下对100ppm异丙醇的灵敏度柱状图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明分散fe2o3制备方法步骤如下：

1.称取fe(no3)3·9h2o2.0200g，溶解于20ml去离子水中得溶液a；

2.搅拌状态下向溶液a中加入30ml去离子水，持续搅拌5min得溶液b；

3.在搅拌状态下将一小药匙edta乙二胺四乙酸加入溶液b中，持续搅拌10min，得溶液c；

4.称取三水合乙酸钠4.0824g，搅拌状态下加入20ml去离子水并持续搅拌5min得溶液d；

5.在搅拌状态下将溶液d迅速加入到溶液c中，持续搅拌10min，得溶液e；

6.将e溶液导入100ml聚四氟乙烯反应釜内衬中，封闭反应釜，置于烘箱中120℃下反应6h；

7.取出反应釜，置于室温下至少6h，待完全冷却后将产物倒出，用去离子水反复洗涤10次，最后用乙醇洗涤2-3次，取样并干燥，获得目标产物；

8.重复上述步骤，在步骤4中的三水合乙酸钠水溶液加入0.5000g花粉(提前泡20min)作对照实验；

9.将目标产物在马弗炉500℃下煅烧半个小时后获得最终产物三氧化二铁纳米材料；

10.样品编号，对添加花粉制备的样品编号为α-fe2o3(p)没添加花粉制备的样品编号为α-fe2o3(n)。

x射线衍射分析

为确定本实验所制备的粉末是否是α-fe2o3纳米材料，对实验样品进行x射线衍射分析。由图1可得样品的衍射峰与α-fe2o3的标准图谱(jcpdsno.79-1741)完全一致，没有其他杂峰出现。位于24.1°、33.2°、35.7°、41.0°、49.7°、54.0°、57.6°、62.3°和63.90°处的衍射峰分别对应于α-fe2o3标准图谱的(012)、(104)、(110)、(113)、(024)、(116)、(018)、(214)和(300)晶面。因此，本实验合成的材料为纯相α-fe2o3纳米材料，而且各特征峰比较尖锐，说明具有良好的结晶度。则可以预测在水热反应阶段发生的反应为fe³⁺+3oh^-→fe(oh)3，在煅烧反应阶段发生的反应为2fe(oh)3→fe2o3+3h2o。

透射电子电子显微镜分析

为分析α-fe2o3的微观形貌，颗粒大小和粒径分布，对实验样品进行了透射电子电子显微镜分析。取少量样品于5ml的无水乙醇中，超声分散一段时间，取少量溶液滴在电镜的铜网上，使用透射电子显微镜观察试样的粒径大小，形貌以及分散情况。

如图2所示，图2中(a)是以乙二胺四乙酸(edta)为表面活性剂，水为溶剂制备的α-fe2o3(n)纳米粉体的透射图，从图中可以看到颗粒与颗粒之间没有明显的界限，几乎都粘连在一起，团聚比较严重。图2中(b)可以看出粉体基本呈椭球形，能看到单个颗粒,粒径大小约为60nm。图2中(c)是在其它实验条件相同下加入花粉后制备的α-fe2o3(p)纳米粉体的透射图，可以发现加入花粉后α-fe2o3纳米粉体的形貌发生了很大的变化，分散效果有了显著的进步，由图2中(d)可以看出加入花粉后纳米颗粒的形貌发生了较大的变化，呈现不规则的方形晶体颗粒,粒径大小约为100nm。可见加入花粉后，团聚现象减弱，纳米颗粒微观形貌和颗粒大小都改变了。

α-fe2o3气敏性能的研究

衡量气敏元件性能的一个重要指标是气敏元件的最佳工作温度，在较低的工作温度具有较低的功耗。为确定α-fe2o3基气敏元件的最佳工作温度，实验测试了α-fe2o3(p)在110～370℃下对100ppm异丙醇气体的响应。

如图3所示，发现在温度范围为110～260℃时α-fe2o3(p)基气敏元件对100ppm异丙醇的灵敏度逐渐升高，而在温度范围为260～370℃时α-fe2o3(p)基气敏元件对100ppm异丙醇的灵敏度逐渐减弱。即在260℃时α-fe2o3(p)基气敏元件对100ppm异丙醇的灵敏度最高，约12左右。因此可以确定该气敏元件的最佳工作温度为260℃。

本发明以九水硝酸铁为铁源、三水合乙酸钠为碱源、去离子水为溶剂、乙二胺四乙酸(edta)为表面活性剂。以是否添加花粉为单一变量，在120℃的水热反应下制备α-fe2o3纳米粉末。

通过x射线衍射分析(xrd)发现，样品的衍射峰与α-fe2o3的标准图谱(jcpdsno.79-1741)完全一致，没有其他杂峰出现而且各特征峰比较尖锐。说明本实验合成的材料为纯相α-fe2o3纳米材料，而且具有良好的结晶度。

通过透射电子电子显微镜分析(tem)发现，α-fe2o3(n)纳米颗粒之间没有明显的界限，几乎都粘连在一起，团聚比较严重。而α-fe2o3(p)纳米颗粒的分散效果有了显著的进步，颗粒形貌发生了较大的变化。说明添加花粉可以起到塑造形貌提高分散性的作用。

通过气敏性能测试分析发现，在100ppm的异丙醇气体下α-fe2o3(p)基气敏元件的最佳工作温度为260℃，在此温度下对100ppm异丙醇的灵敏度最高，约为12。在工作温度为260℃时α-fe2o3(p)的灵敏度和选择性都比α-fe2o3(n)的高。

因此，添加入花粉不仅可以起到提高分散性、塑造形貌的作用，还可以增强灵敏度、提高选择性等作用。花粉的加入至少从以下两个方面抑制产物团聚：1水热反应阶段，花粉颗粒的存在能为氧化铁的负载提供载体，同时其不规则的运动能搅动溶液和fe(oh)3颗粒，防止颗粒粘结团聚。2使用马弗炉热处理阶段：热处理阶段是团聚最容易发生地阶段之一。花粉的存在一是隔离fe(oh)3，使其分解过程中和分解后生成的fe2o3彼此分离，降低团聚发生；二是花粉高温下分解生成co2气体，气体溢出也会增进颗粒分散，抑制团聚。花粉的加入增加了产物α-fe2o3的分散性，进而增进其气敏性能。

以上所述仅是对本发明的较佳实施方式而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。