CN102839394A - 一种快速制备多级结构的枝状纳米铁的方法 - Google Patents

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Abstract

一种快速制备多级结构的枝状纳米铁的方法，本发明涉及一种制备枝状纳米铁的方法。本发明是要解决现有技术无法直接制成多级结构的枝状纳米铁，制成的多级结构的枝状纳米铁纯度低，周期长，有毒有污染且成本高的问题。方法：一、取选择透过性膜反应器；二、配制阴极电解液和阳极电解液；三、向反应槽注入电解液；四、反应；五、收集，清洗，干燥。本发明可以直接制备得到多级结构的枝状纳米铁；从产品的XRD谱图可以看出本发明制备得到多级结构的枝状纳米铁无明显杂质峰，且小角度无杂质峰，产品的纯度较高；本发明获得的枝状纳米铁的速率快，周期短；本发明未使用有毒有害的铁***原材料且降低了成本。本发明用于制备多级结构的枝状纳米铁。

Description

一种快速制备多级结构的枝状纳米铁的方法
技术领域
本发明涉及一种制备枝状纳米铁的方法。
背景技术
在一些领域，如选矿，印染和电镀等工业生产过程中会产生大量含铁离子的废水（主要成分为Fe2+和Fe3+），这些废水如果不经处理直接排放到环境中不仅对环境有着严重的危害，而且还浪费了大量的资源。同时，纳米级铁，尤其是具有微纳米结构的枝状铁具有很高的应用领域和经济附加值，如何以较低的成本快速获得枝状微纳米铁粉就有很大的实际意义。本实验的目的就是通过电化学的方法还原价格较低的硫酸亚铁来制得微纳米结构的铁粉，并利用该方法回收铁锈和富铁离子废水中的铁，生产较高纯度的多级枝状纳米铁粉，使这些铁锈和富铁离子废水中的铁变成具有高的经济附加值的多级枝状纳米铁粉，变废为宝，这同时也能体现我们国家资源循环利用和可持续发展的发展理念。
纳米材料由于其独特的物理化学性质，在科学研究和社会生产等各个领域都有极其重要的研究价值和应用前景。对纳米材料的研究一直是国内外研究的重点和热点，其中纳米材料的合成制备又是重中之重。铁的纳米材料在催化和微电子等领域具有广泛的应用，因此也成为当下研究的热点。多级结构的枝状纳米铁主要应用于吸波，电磁和催化等高科技领域，不同于传统的电解铁，具有很高的经济附加值。
目前对枝状纳米材料的研究非常广泛，文献中报道了许多材料都具有这种结构，如金属，金属硫化物和金属氧化物等，现今制备枝状纳米材料主要是采用水热或溶剂热法，超声波辅助法和金属置换还原法。根据现有文献报道，水热，溶剂热和超声波辅助法生产周期长，无法直接制备金属枝状纳米材料，且使用有毒有害的铁***（K3[Fe(CN)6]）原材料，成本高；金属置换法，无法直接置换出铁，且生产速率慢。这些因素极大地限制了多级结构的枝状纳米铁的快速生产。有研究人员曾制得了枝状的纳米铁，但是是通过先制备枝状的Fe2O3，然后利用氢气还原，制成多级结构的枝状纳米铁。而没有直接制得多级结构的纳米铁。
因此，存在现有技术无法直接制成多级结构的枝状纳米铁，制成的多级结构的枝状纳米铁纯度低，周期长，有毒有污染且成本高的问题。
发明内容
本发明是要解决现有技术无法直接制成多级结构的枝状纳米铁，制成的多级结构的枝状纳米铁纯度低，周期长，有毒有污染且成本高的问题，而提供一种快速制备多级结构的枝状纳米铁的方法。
一种快速制备多级结构的枝状纳米铁的方法，具体是按照以下步骤制备的：
一、取1套选择透过性膜反应器；其中，该选择透过性膜反应器由直流电源(1)、带冷却夹套(7)的反应槽(2)、选择透过性膜(3)、阴极(4)、阳极(5)和导线(6)组成；带冷却夹套(7)的反应槽(2)中设置选择透过性膜(3)将反应槽(2)分为阳极区和阴极区，直流电源(1)的正极通过导线(6)与阳极(5)连接并将阳极(5)放入反应槽(2)阳极区，直流电源(1)的负极通过导线(6)与阴极(4)连接并将阴极(4)放入反应槽(2)阴极区；选择透过性膜(3)是阴离子透过性膜，让阴离子通过，阳离子不通过；冷却夹套(7)设置进水口（7-1）和出水口（7-2）；
二、按铁离子浓度为100g/L~400g/L、乙醇含量为50ml/L~60ml/L，称取铁盐和乙醇加入到去离子水中，混合均匀，得到阴极电解液；按硫酸浓度为0.1mol/L~1mol/L，配制稀硫酸，得到阳极电解液；
三、向冷却夹套(7)的进水口（7-1）通入15℃~25℃的水并从出水口（7-2）导出，向反应槽(2)的阴极区注入阴极电解液，向反应槽(2)的阳极区注入阳极电解液；其中，阴极电解液与阳极电解液的体积比为3~1：1；
四、开通选择透过性膜反应器的直流电源(1)，控制阴极(4)的表面电流密度为10A/cm2~20A/cm2；反应过程中每1min~3min停止反应，取出阴极(4)收集产品后，再将阴极(4)放入反应槽(2)中继续进行；
五、将收集的产品放入密封容器中，用去离子水清洗、再用酒精洗，然后放入真空干燥箱中，控制温度为50℃~60℃，保温3h~4h，得到多级结构的枝状纳米铁。
本发明制备的多级结构的枝状纳米铁充入惰性气体密封保存。
本发明的反应原理：
在实际反应过程中，硫酸亚铁电解液中（电解液浓度为250g/L）的阴极主要发生以下两个反应：
Fe2++2e-=Fe                        （1）
2H++2e-=H2                         （2）
在反应的初始阶段，阴极生成铁单质的速率较快，且只有少量气体（H2）析出，主反应（1）为亚铁离子被还原为铁。从电化学电极电势理论上计算来证实：
反应（1）的平衡电势：E(Fe2+|Fe)=E0 (Fe2+，Fe)-RT/2F(lnaFe2+ -1)            （3）
（其标准状况下的平衡电势E0 (Fe2+，Fe)=-0.44V）
反应（2）的平衡电势：E(2H+|H2)=E0 (2H+|H2)-RT/2F(lnaH+ -1)            （4）
（其标准状况下的平衡电势E0 (2H+|H2)=0V）
在标准状况下E0 (2H+|H2)>E0 (Fe2+，Fe)，因此氢气要先于铁析出。根据（4）式可知，溶液中氢离子浓度越高，E(2H+|H2)越大，因而越有利于氢气的析出。所以氢离子浓度越小，即PH越高，有利于E(2H+|H2)降低，才能使E(Fe2+,Fe)有大于E(2H+|H2)的可能，来析出铁单质。经过试验也证明了上述规律。此时反应主要生成铁单质，且反应速率快。
对于阳极始终主要发生析氧反应同时生成氢离子：
H2O-2e-=2H++1/2O2                            （5）
但当反应进行到一定时间以后，电解液中阳极释放的氢离子积累到一定浓度使电解液的PH值降低，会影响阴极的还原反应。使氢离子分解电压高于亚铁离子的分解电压（E0 (2H+|H2)>E0 (Fe2+，Fe)），所以阴极反应以析氢反应(2)为主，而铁单质的生成速率骤减，同时电解液温度快速升高，电源效率降低。反应（5）的电化学电极电势表示为：
E0(O2|H2O)=+1.229V    （6）
因此需要用阴离子选择透过性膜使氢离子无法扩散到阴极，保持阴极一直以反映（1）为主反应。
本发明的有益效果是：本发明可以直接制备得到多级结构的枝状纳米铁；从产品的XRD谱图可以看出本发明制备得到多级结构的枝状纳米铁无明显杂质峰，且小角度无杂质峰，因此产品的纯度较高；本发明获得的枝状纳米铁的速率为0.05g~0.1g/min，生产速率快，周期短；本发明未使用有毒有害的铁***（K3[Fe(CN)6]）原材料，且降低了成本。
本发明用于制备枝状纳米铁。
附图说明
图1为本发明使用的选择透过性薄膜反应器的装置示意图，其中1为直流电源、2为反应槽、3为选择透过性膜、4为阴极、5为阳极、6为导线、7为冷却夹套、7-1为进水口、7-2为出水口。
图2为实施例一制备的多级结构的枝状纳米铁的25000倍扫描电镜图。
图3为实施例一制备的多级结构的枝状纳米铁的10000倍扫描电镜图。
图4为实施例一制备的多级结构的枝状纳米铁的XRD谱图，其中“■”代表Fe的衍射峰。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举的具体实施方式，还包括各具体实施方式之间的任意组合。
具体实施方式一：本实施方式一种快速制备多级结构的枝状纳米铁的方法，具体是按照以下步骤制备的：
一、取1套选择透过性膜反应器；其中，该选择透过性膜反应器（参见附图1）由直流电源1、带冷却夹套7的反应槽2、选择透过性膜3、阴极4、阳极5和导线6组成；带冷却夹套7的反应槽2中设置选择透过性膜3将反应槽2分为阳极区和阴极区，直流电源1的正极通过导线6与阳极5连接并将阳极5放入反应槽2阳极区，直流电源1的负极通过导线6与阴极4连接并将阴极4放入反应槽2阴极区；选择透过性膜3是阴离子透过性膜，让阴离子通过，阳离子不通过；冷却夹套7设置进水口7-1和出水口7-2；
二、按铁离子浓度为100g/L~400g/L、乙醇含量为50ml/L~60ml/L，称取铁盐和乙醇加入到去离子水中，混合均匀，得到阴极电解液；按硫酸浓度为0.1mol/L~1mol/L，配制稀硫酸，得到阳极电解液；
三、向冷却夹套7的进水口7-1通入15℃~25℃的水并从出水口7-2导出，向反应槽2的阴极区注入阴极电解液，向反应槽2的阳极区注入阳极电解液；其中，阴极电解液与阳极电解液的体积比为3~1：1；
四、开通选择透过性膜反应器的直流电源1，控制阴极4的表面电流密度为10A/cm2~20A/cm2；反应过程中每1min~3min停止反应，取出阴极4收集产品后，再将阴极4放入反应槽2中继续进行；
五、将收集的产品放入密封容器中，用去离子水清洗、再用酒精洗，然后放入真空干燥箱中，控制温度为50℃~60℃，保温3h~4h，得到多级结构的枝状纳米铁。
本实施方式制备的多级结构的枝状纳米铁充入惰性气体密封保存。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中阴极4为铜电极、阳极5为石墨板。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤二中阴极电解液中铁离子浓度为200g/L~300g/L、乙醇含量为52ml/L~58ml/L，阳极电解液中硫酸浓度为0.2mol/L~0.9mol/L。其它与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤二中铁盐为硫酸亚铁或氯化亚铁。其它与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤四中阴极4的表面电流密度为12A/cm2~18A/cm2。其它与具体实施方式一至四之一相同。
表面电流密度的定义：表面电流密度=电流/电极表面积
采用以下实施例和对比实验验证本发明的有益效果：
实施例一：
本实施例一种快速制备多级结构的枝状纳米铁的方法，具体是按照以下步骤制备的：
一、取1套选择透过性膜反应器；其中阴极4为铜电极，阳极5为石墨板，选择透过性膜3是阴离子透过性膜；
二、按铁离子浓度为200g/L、乙醇含量为50mL/L，称取硫酸亚铁和乙醇加入到去离子水中，混合均匀，得到阴极电解液；按硫酸浓度为0.5mol/L，配制稀硫酸，得到阳极电解液；
三、向冷却夹套7的进水口7-1通入20℃的水并从出水口7-2导出，向反应槽2的阴极区注入200mL阴极电解液，向反应槽2的阳极区注入200mL阳极电解液；
四、开通选择透过性膜反应器的直流电源1，控制阴极4的表面电流密度为15A/cm2；反应过程中每3min停止反应，取出阴极4收集产品后，再将阴极4放入反应槽2中继续进行；
五、将收集的产品放入密封容器中，用煮沸过的去离子水清洗3次、再用酒精洗3次，然后放入真空干燥箱中，控制温度为50℃，保温3h，得到多级结构的枝状纳米铁。
本实施例制备的多级结构的枝状纳米铁充入氮气密封保存。
本实施例制备的多级结构的枝状纳米铁的扫描电镜图如图2图3所示，从图中可以看出本发明制备的产品为多级结构的枝状纳米铁，其宽度在2微米，超度在8微米，形状类似树枝，并具有反正面和分支。
本实施例制备的多级结构的枝状纳米铁的XRD谱图如图4所示，其中“■”代表Fe的衍射峰；从图中可以看出其结构为体心立方结构，图中无明显杂质峰，且小角度无杂质峰，因此产品的纯度较高。
本实施例制备的多级结构的枝状纳米铁的速率为0.08g/min，生产速率快。
实施例二：
本实施例本实施例一种快速制备多级结构的枝状纳米铁的方法，具体是按照以下步骤制备的：
一、取1套选择透过性膜反应器；其中阴极4为铜电极，阳极5为石墨板，选择透过性膜3是阴离子透过性膜；
二、按铁离子浓度为1800g/L、乙醇含量为50ml/L，称取氯化亚铁和乙醇加入到去离子水中，混合均匀，得到阴极电解液；按硫酸浓度为0.8mol/L，配制稀硫酸，得到阳极电解液；
三、向冷却夹套7的进水口7-1通入20℃的水并从出水口7-2导出，向反应槽2的阴极区注入200mL阴极电解液，向反应槽2的阳极区注入200mL阳极电解液；
四、开通选择透过性膜反应器的直流电源1，控制阴极4的表面电流密度为15A/cm2；反应过程中每3min停止反应，取出阴极4收集产品后，再将阴极4放入反应槽2中继续进行；
五、将收集的产品放入密封容器中，用煮沸过的去离子水清洗3次、再用酒精洗3次，然后放入真空干燥箱中，控制温度为50℃，保温3h，得到多级结构的枝状纳米铁。
本实施例制备的多级结构的枝状纳米铁充入氮气密封保存。
本实施例制备的多级结构的枝状纳米铁的速率为0.06g/min。

Claims (5)

1.一种快速制备多级结构的枝状纳米铁的方法，其特征在于快速制备多级结构的枝状纳米铁的方法，具体是按照以下步骤制备的：
一、取1套选择透过性膜反应器；其中，该选择透过性膜反应器由直流电源(1)、带冷却夹套(7)的反应槽(2)、选择透过性膜(3)、阴极(4)、阳极(5)和导线(6)组成；带冷却夹套(7)的反应槽(2)中设置选择透过性膜(3)将反应槽(2)分为阳极区和阴极区，直流电源(1)的正极通过导线(6)与阳极(5)连接并将阳极(5)放入反应槽(2)阳极区，直流电源(1)的负极通过导线(6)与阴极(4)连接并将阴极(4)放入反应槽(2)阴极区；选择透过性膜(3)是阴离子透过性膜；冷却夹套(7)设置进水口（7-1）和出水口（7-2）；
二、按铁离子浓度为100g/L~400g/L、乙醇含量为50ml/L~60ml/L，称取铁盐和乙醇加入到去离子水中，混合均匀，得到阴极电解液；按硫酸浓度为0.1mol/L~1mol/L，配制稀硫酸，得到阳极电解液；
三、向冷却夹套(7)的进水口（7-1）通入15℃~25℃的水并从出水口（7-2）导出，向反应槽(2)的阴极区注入阴极电解液，向反应槽(2)的阳极区注入阳极电解液；其中，阴极电解液与阳极电解液的体积比为3~1：1；
四、开通选择透过性膜反应器的直流电源(1)，控制阴极(4)的表面电流密度为10A/cm2~20A/cm2；反应过程中每1min~3min停止反应，取出阴极(4)收集产品后，再将阴极(4)放入反应槽(2)中继续进行；
五、将收集的产品放入密封容器中，用去离子水清洗、再用酒精洗，然后放入真空干燥箱中，控制温度为50℃~60℃，保温3h~4h，得到多级结构的枝状纳米铁。
2.根据权利要求1所述的一种快速制备多级结构的枝状纳米铁的方法，其特征在于步骤一中阴极(4)为铜电极、阳极(5)为石墨板。
3.根据权利要求2所述的一种快速制备多级结构的枝状纳米铁的方法，其特征在于步骤二中阴极电解液中铁离子浓度为200g/L~300g/L、乙醇含量为52ml/L~58ml/L，阳极电解液中硫酸浓度为0.2mol/L~0.9mol/L。
4.根据权利要求3所述的一种快速制备多级结构的枝状纳米铁的方法，其特征在于步骤二中铁盐为硫酸亚铁或氯化亚铁。
5.根据权利要求4所述的一种快速制备多级结构的枝状纳米铁的方法，其特征在于步骤四中阴极(4)的表面电流密度为12A/cm2~18A/cm2。
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