CN104233361A - 一种采用低共熔溶剂电解三氧化二铁制备四氧化三铁的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种采用低共熔溶剂电解三氧化二铁制备四氧化三铁的方法，属于湿法冶金和材料技术领域。制备阴极片：将三氧化二铁、PVA粘结剂和造孔剂混合，压制成型，然后在800℃条件下焙烧3h，制得阴极片；配置低共熔溶剂：将氯化胆碱与乙二醇混合均匀形成低共熔溶剂；以石墨为阳极，制备得到的阴极片为阴极，在低共熔溶剂中进行直流电解，阴极片上的三氧化二铁还原为四氧化三铁；将得到的四氧化三铁用乙醇、蒸馏水超声洗涤，真空干燥后即得到四氧化三铁。该方法不仅工艺流程短，制备方法简单，能耗低，而且对设备的要求低。
Description
技术领域
本发明涉及一种采用低共熔溶剂电解三氧化二铁制备四氧化三铁的方法，属于湿法冶金和材料技术领域。
背景技术
四氧化三铁是一种常用的多功能磁性材料。近些年对纳米级的四氧化三铁的研究较多，常用作催化剂载体、磁记录材料和微波吸收材料，也可作为磁流体应用在医药、航天领域，作为生物靶向材料应用于医疗和生物工程等。研究四氧化三铁制备的新方法具有重要的科学意义和实用价值。
四氧化三铁的传统制备方法包括共沉淀法、水热（溶剂热）法、微乳化法、溶胶-凝胶（sol-gel）法。近几年，微波法、热解羰基前躯体法、超声法、空气氧化法、热解-还原法、多元醇还原法等一些新的制备方法正逐渐成为学者们研究的热点。虽然上述技术都制备得到四氧化三铁磁性材料，但是仍然存在着一些不足，对Fe2+、Fe3+的摩尔比，溶液的pH值、反应温度和溶液的浓度等都有严格的要求，操作复杂，工艺流程长，反应过程不易控制。此外水热法需要高温高压，能耗大，对设备要求的高，生产成本高，难以规模化生产。为克服以上工艺的缺点，迫切需要发展一种操作简单，工艺流程短、节能、低成本制备四氧化三铁磁性材料的新技术。
2000年Chen等报道了FFC法在800oC下CaCl2熔盐中直接电解固态TiO2为金属钛的研究结果。本研究将以三氧化二铁为原料，在熔盐电脱氧(FFC)法的基础上，在崭新的低共熔溶剂中，电解还原三氧化二铁制备四氧化三铁磁性材料。
低共熔溶剂(Deep Eutectic Solvents, DESs)是由有机分子与无机盐组成或有机盐组成，各成分之间由于氢键作用形成的低共熔混合物。有机分子通常为能提供孤对电子的尿素、酰胺、多元醇、酸等。有机盐通常是季铵盐或季鏻盐。由于其与离子液体类似的物理化学性质，因此也称为低共熔型离子液体(Eutectic-based ionic liquids)。低共熔溶剂具有电化学窗口宽、导电性好、液态范围宽、无蒸汽压、稳定性好等优异性能。低共熔溶剂的成本低，制备工艺简单，对设备的要求低，可以作为电解还原四氧化三铁磁性材料的电解质。随着研究的深入，低共熔溶剂在湿法冶金和材料制备领域将发挥更大的作用。
发明内容
针对上述制备四氧化三铁现有技术中存在的工艺流程长，操作复杂，对设备要求严格等问题，本发明公开一种采用低共熔溶剂电解三氧化二铁制备四氧化三铁的方法。该方法不仅工艺流程短，制备方法简单，能耗低，而且对设备的要求低，本方法通过以下技术方案实现。
一种采用低共熔溶剂电解三氧化二铁制备四氧化三铁的方法，其具体步骤如下：
（1）制备阴极片：将三氧化二铁、PVA粘结剂和造孔剂混合，压制成型，然后在800℃条件下焙烧3h，制得阴极片；
（2）配置低共熔溶剂：将氯化胆碱与乙二醇按照摩尔比为1:（1~3）混合均匀形成低共熔溶剂；
（3）以石墨为阳极，步骤（1）制备得到的阴极片为阴极，在步骤（2）制备得到的低共熔溶剂中进行直流电解，在此过程中控制槽电压为2.0~2.8V、电解质温度为50~80℃、阴极和阳极之间的距离为1~2cm电解8~24h，阴极片上的三氧化二铁还原为四氧化三铁；
（4）将步骤（3）得到的四氧化三铁用乙醇、蒸馏水超声洗涤，真空干燥后即得到四氧化三铁。
所述步骤（1）的造孔剂为碳酸氢铵、聚乙烯醇或聚乙二醇。
所述步骤（4）的真空干燥温度为70~100℃。
本发明的有益效果是：本发明采用的原料成本低，来源广泛；制备工艺简单，易于操作，对设备的要求较低；本发明不需要控制pH值，不需要调节Fe2+、Fe3+的比例，而且体系的稳定性好，经济环保。
附图说明
图1是本发明实施例1电解所得产物的XRD图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。
实施例1
该采用低共熔溶剂电解三氧化二铁制备四氧化三铁的方法，其具体步骤如下：
（1）制备阴极片：将三氧化二铁、PVA粘结剂和造孔剂混合，压制成型，然后在800℃条件下焙烧3h，制得阴极片，其中造孔剂为碳酸氢铵，三氧化二铁、PVA粘结剂和造孔剂加入量分别为0.60g，0.10g，0.14g；
（2）配置低共熔溶剂：将氯化胆碱与乙二醇按照摩尔比为1:1并在80℃下加热搅拌混合均匀形成低共熔溶剂；
（3）以石墨为阳极，步骤（1）制备得到的阴极片为阴极，在步骤（2）制备得到的低共熔溶剂中进行直流电解，在此过程中控制槽电压为2.5V、电解质温度为80℃、阴极和阳极之间的距离为1.5cm电解20h，阴极片上的三氧化二铁还原为四氧化三铁；
（4）将步骤（3）得到的四氧化三铁用乙醇、蒸馏水超声洗涤，真空干燥后即得到四氧化三铁，其中真空干燥温度为80℃。
制备得到的四氧化三铁XRD图如图1所示。
实施例2
该采用低共熔溶剂电解三氧化二铁制备四氧化三铁的方法，其具体步骤如下：
（1）制备阴极片：将三氧化二铁、PVA粘结剂和造孔剂混合，压制成型，然后在800℃条件下焙烧3h，制得阴极片，其中造孔剂为聚乙烯醇，三氧化二铁、PVA粘结剂和造孔剂加入量分别为0.65g，0.11g，0.15g；
（2）配置低共熔溶剂：将氯化胆碱与乙二醇按照摩尔比为1:2并在60℃下加热搅拌混合均匀形成低共熔溶剂；
（3）以石墨为阳极，步骤（1）制备得到的阴极片为阴极，在步骤（2）制备得到的低共熔溶剂中进行直流电解，在此过程中控制槽电压为2.8V、电解质温度为50℃、阴极和阳极之间的距离为1.0cm电解24h，阴极片上的三氧化二铁还原为四氧化三铁；
（4）将步骤（3）得到的四氧化三铁用乙醇、蒸馏水超声洗涤，真空干燥后即得到四氧化三铁，其中真空干燥温度为70℃。
实施例3
该采用低共熔溶剂电解三氧化二铁制备四氧化三铁的方法，其具体步骤如下：
（1）制备阴极片：将三氧化二铁、PVA粘结剂和造孔剂混合，压制成型，然后在800℃条件下焙烧3h，制得阴极片，其中造孔剂为聚乙二醇，三氧化二铁、PVA粘结剂和造孔剂加入量分别为0.80g，0.15g，0.32g；
（2）配置低共熔溶剂：将氯化胆碱与乙二醇按照摩尔比为1:3并在70℃下加热搅拌混合均匀形成低共熔溶剂；
（3）以石墨为阳极，步骤（1）制备得到的阴极片为阴极，在步骤（2）制备得到的低共熔溶剂中进行直流电解，在此过程中控制槽电压为2.0V、电解质温度为60℃、阴极和阳极之间的距离为1.0cm电解14h，阴极片上的三氧化二铁还原为四氧化三铁；
（4）将步骤（3）得到的四氧化三铁用乙醇、蒸馏水超声洗涤，真空干燥后即得到四氧化三铁，其中真空干燥温度为70℃。
实施例4
该采用低共熔溶剂电解三氧化二铁制备四氧化三铁的方法，其具体步骤如下：
（1）制备阴极片：将三氧化二铁、PVA粘结剂和造孔剂混合，压制成型，然后在800℃条件下焙烧3h，制得阴极片，其中造孔剂为聚乙烯醇与聚乙二醇摩尔比为2:1的混合物，三氧化二铁、PVA粘结剂和造孔剂加入量分别为0.75g，0.15g，0.25g；
（2）配置低共熔溶剂：将氯化胆碱与乙二醇按照摩尔比为1:2并在70℃下加热搅拌混合均匀形成低共熔溶剂；
（3）以石墨为阳极，步骤（1）制备得到的阴极片为阴极，在步骤（2）制备得到的低共熔溶剂中进行直流电解，在此过程中控制槽电压为2.2V、电解质温度为70℃、阴极和阳极之间的距离为2.0cm电解8h，阴极片上的三氧化二铁还原为四氧化三铁；
（4）将步骤（3）得到的四氧化三铁用乙醇、蒸馏水超声洗涤，真空干燥后即得到四氧化三铁，其中真空干燥温度为70℃。
实施例5
该采用低共熔溶剂电解三氧化二铁制备四氧化三铁的方法，其具体步骤如下：
（1）制备阴极片：将三氧化二铁、PVA粘结剂和造孔剂混合，压制成型，然后在800℃条件下焙烧3h，制得阴极片，其中造孔剂为碳酸氢铵，三氧化二铁、PVA粘结剂和造孔剂加入量分别为0.80g，0.15g，0.40g；
（2）配置低共熔溶剂：将氯化胆碱与乙二醇按照摩尔比为1:3并在50℃下加热搅拌混合均匀形成低共熔溶剂；
（3）以石墨为阳极，步骤（1）制备得到的阴极片为阴极，在步骤（2）制备得到的低共熔溶剂中进行直流电解，在此过程中控制槽电压为2.5V、电解质温度为55℃、阴极和阳极之间的距离为2.0cm电解18h，阴极片上的三氧化二铁还原为四氧化三铁；
（4）将步骤（3）得到的四氧化三铁用乙醇、蒸馏水超声洗涤，真空干燥后即得到四氧化三铁，其中真空干燥温度为100℃。
上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (3)
1.一种采用低共熔溶剂电解三氧化二铁制备四氧化三铁的方法，其特征在于具体步骤如下：
（1）制备阴极片：将三氧化二铁、PVA粘结剂和造孔剂混合，压制成型，然后在800℃条件下焙烧3h，制得阴极片；
（2）配置低共熔溶剂：将氯化胆碱与乙二醇按照摩尔比为1:（1~3）混合均匀形成低共熔溶剂；
（3）以石墨为阳极，步骤（1）制备得到的阴极片为阴极，在步骤（2）制备得到的低共熔溶剂中进行直流电解，在此过程中控制槽电压为2.0~2.8V、电解质温度为50~80℃、阴极和阳极之间的距离为1~2cm电解8~24h，阴极片上的三氧化二铁还原为四氧化三铁；
（4）将步骤（3）得到的四氧化三铁用乙醇、蒸馏水超声洗涤，真空干燥后即得到四氧化三铁。
2.根据权利要求1所述的采用低共熔溶剂电解三氧化二铁制备四氧化三铁的方法，其特征在于：所述步骤（1）的造孔剂为碳酸氢铵、聚乙烯醇或聚乙二醇。
3.根据权利要求1所述的采用低共熔溶剂电解三氧化二铁制备四氧化三铁的方法，其特征在于：所述步骤（4）的真空干燥温度为70~100℃。
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|---|---|---|---|---|
| US10177412B2 (en) | 2015-08-21 | 2019-01-08 | Industrial Technology Research Institute | Electrolyte composition, and sodium secondary battery employing the same |
| CN109867309A (zh) * | 2019-04-01 | 2019-06-11 | 东南大学 | 一种水溶磁性氧化铁纳米晶及其制备方法 |
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| CN112853393A (zh) * | 2021-01-22 | 2021-05-28 | 山东大学 | 一种用于电化学合成氨的四氧化三铁催化剂及其制备方法与应用 |
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| CN104233361B (zh) | 2016-09-07 |
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