CN110745869A - 一种基于溶剂热法合成的FeS纳米颗粒、制备方法和应用 - Google Patents

一种基于溶剂热法合成的FeS纳米颗粒、制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于电催化分解水技术领域，公开了一种基于溶剂热法合成的FeS纳米颗粒、制备方法和应用，将硫粉添加到五羰基铁中，加入有机溶剂将硫粉和五羰基铁溶解混合，在室温下将混合物搅拌；将混合物转移到不锈钢高压反应釜中，并将反应釜放入烘箱中保温一段时间后冷却；待反应釜冷却至室温后，对混合物进行离心洗涤得到黑色沉淀物，经超声处理以及采用醇和酮洗涤数次，最后离心收集即得所述纳米粒子。本发明以有机溶剂为溶剂，通过化学法调节原料的比例，在纳米尺度上制备形貌、尺寸可调、导电性好、具有较高电催化性能的FeS纳米晶体，在新兴领域中发挥更广泛的作用，如能源卫生，生态文明领域等。

Description

一种基于溶剂热法合成的FeS纳米颗粒、制备方法和应用
技术领域
本发明属于电催化分解水技术领域，尤其涉及一种基于溶剂热法合成的FeS纳米颗粒、制备方法和应用。
背景技术
目前，最接近的现有技术：几个世纪以来，化石燃料一直都是各国发展的主要能源物质。如今随着工业的快速发展，能源消耗的不断增加也导致对环境的破坏日益严重，当务之急是开发新的可再生清洁能源物质来克服传统化石燃料对环境的局限性和不友好性。随着科学技术的不断进步，对可再生和清洁能源转换技术的研究在过去几十年中一直是人们追捧的热点。氢能源作为一种可再生能源，具有清洁，绿色，燃烧热值比较高等优点，在这种情况下，电化学分解水因其在制氢中的应用而备受关注。如今，越来越多的研究集中在电化学分解水制氢催化剂的选择和制备上，以便于寻找一种合适的电催化剂广泛应用于电化学领域。FeS有着与二硫化钼或石墨相似的鳞片状结构，它的硬度较低，是一种反铁磁性半导体材料。人工合成的FeS纳米粒子有着较大的比表面积，粒径较小，纯度高，在催化水分分解方面有着非常优异的性能。自然界中由铁和硫构成的铁硫化物主要有磁硫铁矿、磁黄铁矿、黄铁矿等。总体来讲，铁硫化合物拥有独特的电化学性能，这些性能与铁和硫之间的晶体结构密切相关。在这些重要无机材料中，由于其独特的光电性能，铁硫化物广泛应用于光伏太阳能电池、锂离子电池电极材料等领域。种种优点让它在实际过程中被广泛应用。
近几年来，由于科研工作的不断进步，有关FeS的研究取得了重大进展；人工合成的FeS和天然的硫铁化合物的层状结构可沿摩擦方向进行塑形变形，常用作固体润滑剂提高机器零件的机械效率：用FeS处理含Cr(VI)的废水是近几年提出的一种新的处理方法，它能够将有毒的Cr(VI)还原为低毒的Cr(III)，这种方法不仅反应速度快，而且在处理过程中不需要外加沉淀剂就可以抑制被还原的三价铬被重新被氧化，具有简便，效率高，还原剂来源广泛，价格较低等优点；掺杂钴的黄铁矿(FeS2)纳米催化剂，在酸性条件下可以催化分解水产氢，表明可通过扩展生产低成本和高效的电化学析氢催化剂。
综上所述，现有技术存在的问题是：
(1)磁黄铁矿FeS的制备过程繁琐，工艺复杂。
(2)FeS纳米催化剂用于催化分解水的反应尚未报道。
(3)FeS纳米材料的尺寸、形貌等因素会对催化剂分解水性能产生一定的影响。
解决上述技术问题的难度：传统方法制备磁黄铁矿需要表面活性剂辅助乙二醇溶剂热反应，对表面活性剂和溶剂依赖较大。
解决上述技术问题的意义：研究还发现产物形貌取决于溶剂的种类和硫的用量。该研究所用方法使得合成均一黄铁矿晶体成为可能，对于其他金属硫族化物的制备具有指导意义。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于溶剂热法合成的FeS纳米颗粒、制备方法和应用。
本发明是这样实现的，一种基于溶剂热法合成的FeS纳米颗粒的制备方法，所述基于溶剂热法合成的FeS纳米颗粒的制备方法包括：将硫粉添加到五羰基铁中，加入有机溶剂将硫粉和五羰基铁溶解混合，在室温下将混合物搅拌；将混合物转移到不锈钢高压反应釜中，并将反应釜放入烘箱中保温一段时间后冷却；待反应釜冷却至室温后，对混合物进行离心洗涤得到黑色沉淀物，经超声处理以及采用醇和酮洗涤数次，最后离心收集即得所述纳米粒子。
进一步，所述基于溶剂热法合成的FeS纳米颗粒的制备方法包括以下步骤：
第一步，将1ml-5ml五羰基铁逐滴加入到1g-10g硫粉中，然后加入35ml有机溶剂将其溶解混合；
第二步，将混合物转移到不锈钢高压反应釜中，将高压反应釜转移至烘箱中，将温度调至100℃-250℃，保持10h-24h。
第三步，待高压反应釜冷却至室温，将所得混合物进行离心处理，得到黑色沉淀物，再将此黑色沉淀物进行超声处理，并用醇和酮洗涤数次，最后经过离心处理，收集反应产物即可得到FeS产物。
进一步，所述第一步反应物比例混合中，五羰基铁的体积，有机溶剂的体积，硫粉的质量的混合比例分别为x:y:z，其中0≤x≤10；10≤y≤50；0≤z≤5。
进一步，所述第三步离心收集过程中，离心转速为12000转/min，离心时间为10分钟。
进一步，所述第三步处理过程中，对产物进行真空冻干。
本发明的另一目的在于提供一种由所述基于溶剂热法合成的FeS纳米颗粒的制备方法制备的FeS纳米颗粒，它拥有鳞片状结构，属于六方晶系，熔点高，硬度低。属于反铁磁性半导体材料，具有良好的还原性，常作为固体润滑剂，电极和污染物去除剂等被广泛应用于工业上。
本发明的另一目的在于提供一种所述FeS纳米颗粒在电化学分解水产氢催化中的应用。
本发明的另一目的在于提供一种由所述FeS纳米颗粒制备的固体润滑剂。
本发明的另一目的在于提供一种由所述FeS纳米颗粒制备的电极。
本发明的另一目的在于提供一种由所述FeS纳米颗粒制备的污染物去除剂。
综上所述，本发明的优点及积极效果为：本发明以有机溶剂为溶剂，通过化学法调节原料的比例，在纳米尺度上制备形貌、尺寸可调、导电性好、具有较高电催化性能的FeS纳米晶体，在新兴领域中发挥更广泛的作用，如FeS含有亚铁离子和硫离子，具有良好的还原性，对硝酸苯等有机污染物和汞、铬等重金属污染物有良好的去除作用。能够应用于环境治理、生态文明领域等。
与现有技术相比，本发明通过化学法调节原料的比例，在纳米尺度上制备形貌、尺寸可调、导电性好、具有较高电催化性能的FeS晶体，疏松多孔的片层结构增大了与水分子接触面积，极大提高了催化水分解的能力。有望在新能源领域中发挥更广泛的作用；本发明操作比较简单，原料廉价且易得，能够得到形貌、延展性、分散性都较好的FeS，最终也拥有较好的电化学分解水产氢性能好的催化剂。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于溶剂热法合成的FeS纳米颗粒的制备方法流程图。
图2是本发明实施例提供的实施例1和实施例2制备的FeS纳米粒子的X射线衍射图谱。
图3是本发明实施例提供的实施例1制备的花簇形FeS纳米粒子的SEM图。
图4是本发明实施例提供的实施例1和实施例2制备的花簇形FeS纳米粒子的催化分解水性能图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于溶剂热法合成的FeS纳米颗粒、制备方法和应用，下面结合附图对本发明作详细的描述。
本发明实施例提供的基于溶剂热法合成的FeS纳米颗粒，拥有鳞片状结构，属于六方晶系，熔点高，硬度低。属于反铁磁性半导体材料，具有良好的还原性，常作为固体润滑剂，电极和污染物去除剂等被广泛应用于工业上。
如图1所示，本发明实施例提供的基于溶剂热法合成的FeS纳米颗粒的制备方法包括以下步骤：
S101：将硫粉添加到五羰基铁中，加入有机溶剂将硫粉和五羰基铁溶解混合，在室温下将混合物搅拌；
S102：将混合物转移到不锈钢高压反应釜中，并将反应釜放入烘箱中保温一段时间后冷却；
S103：待反应釜冷却至室温后，对混合物进行离心洗涤得到黑色沉淀物，经超声处理以及采用醇和酮洗涤数次，最后离心收集即得所述纳米粒子。
本发明实施例提供的基于溶剂热法合成的FeS纳米颗粒的制备方法具体包括以下步骤：
第一步，将1ml-5ml五羰基铁逐滴加入到1g-10g硫粉中，然后加入35ml有机溶剂将其溶解混合；
第二步，将混合物转移到不锈钢高压反应釜中，将高压反应釜转移至烘箱中，将温度调至100℃-250℃，保持10h-24h。
第三步，待高压反应釜冷却至室温，将所得混合物进行离心处理，得到黑色沉淀物，再将此黑色沉淀物进行超声处理，并用醇和酮洗涤数次，最后经过离心处理，收集反应产物即可得到FeS产物。
在本发明的优选实施例中，第一步反应物比例混合中，五羰基铁的体积，有机溶剂的体积，硫粉的质量的混合比例分别为x:y:z,其中0≤x≤10；10≤y≤50；0≤z≤5。
在本发明的优选实施例中，第三步离心收集过程中，离心转速为12000转/min，离心时间为10分钟。
在本发明的优选实施例中，第三步处理过程中，需要对产物进行真空冻干。
下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步的描述。
实施例1：
本发明实施例提供的基于溶剂热法合成的FeS纳米颗粒的制备方法具体包括以下步骤：
首先将1.5ml五羰基铁逐滴加入到1g硫粉中，然后加入35ml对二甲苯，将其混合物在室温下以转速1200转/min的磁力搅拌15分钟，然后将其转移到不锈钢高压反应釜中，然后将高压反应釜放入210℃的烘箱中，保持24小时。待高压反应釜温度冷却至室温，离心洗涤得到黑色沉淀物，异丙醇和丙酮超声处理洗涤数次，最后经过转速为12000转/min离心10分钟，收集产物即可得到产物FeS。如图1所示为本发明实施例1制备的花簇形FeS纳米粒子的SEM图；图2为本发明实施例1制备的花簇形FeS纳米粒子的X射线衍射图谱。
实施例2：
本发明实施例提供的基于溶剂热法合成的FeS纳米颗粒的制备方法具体包括以下步骤：
首先将1.5ml五羰基铁逐滴加入到1.5g硫粉中，然后加入35ml对二甲苯，将其混合物在室温下以转速1200转/min的磁力搅拌15分钟，然后将其转移到不锈钢高压反应釜中，然后将高压反应釜放入210℃的烘箱中，保持24小时。待高压反应釜温度冷却至室温，离心洗涤得到黑色沉淀物，异丙醇和丙酮超声处理洗涤数次，最后经过转速为12000转/min离心10分钟，收集产物即可得到产物FeS。
实施例3：
本发明实施例提供的基于溶剂热法合成的FeS纳米颗粒的制备方法具体包括以下步骤：
首先将1.5ml五羰基铁逐滴加入到2g硫粉中，然后加入35ml对二甲苯，将其混合物在室温下以转速1200转/min的磁力搅拌15分钟，然后将其转移到不锈钢高压反应釜中，然后将高压反应釜放入210℃的烘箱中，保持24小时。待高压反应釜温度冷却至室温，离心洗涤得到黑色沉淀物，异丙酮和丙酮超声处理洗涤数次，最后经过转速为12000转/min离心10分钟，收集产物即可得到产物FeS。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于溶剂热法合成的FeS纳米颗粒的制备方法，其特征在于，所述基于溶剂热法合成的FeS纳米颗粒的制备方法包括：将硫粉添加到五羰基铁中，加入有机溶剂将硫粉和五羰基铁溶解混合，在室温下将混合物搅拌；将混合物转移到不锈钢高压反应釜中，并将反应釜放入烘箱中保温一段时间后冷却；待反应釜冷却至室温后，对混合物进行离心洗涤得到黑色沉淀物，经超声处理以及采用醇和酮洗涤数次，最后离心收集即得所述纳米粒子。
2.如权利要求1所述的基于溶剂热法合成的FeS纳米颗粒的制备方法，其特征在于，所述基于溶剂热法合成的FeS纳米颗粒的制备方法包括以下步骤：
第一步，将1ml-5ml五羰基铁逐滴加入到1g-10g硫粉中，然后加入35ml有机溶剂将其溶解混合；
第二步，将混合物转移到不锈钢高压反应釜中，将高压反应釜转移至烘箱中，将温度调至100℃-250℃，保持10h-24h；
第三步，待高压反应釜冷却至室温，将所得混合物进行离心处理，得到黑色沉淀物，再将此黑色沉淀物进行超声处理，并用醇和酮洗涤数次，最后经过离心处理，收集反应产物即可得到FeS产物。
3.如权利要求2所述的基于溶剂热法合成的FeS纳米颗粒的制备方法，其特征在于，所述第一步反应物比例混合中，五羰基铁的体积，有机溶剂的体积，硫粉的质量的混合比例分别为x:y:z，其中0≤x≤10；10≤y≤50；0≤z≤5。
4.如权利要求1所述的基于溶剂热法合成的FeS纳米颗粒的制备方法，其特征在于，所述第三步离心收集过程中，离心转速为12000转/min，离心时间为10分钟。
5.如权利要求1所述的基于溶剂热法合成的FeS纳米颗粒的制备方法，其特征在于，所述第三步处理过程中，对产物进行真空冻干。
6.一种由权利要求1～5任意一项所述基于溶剂热法合成的FeS纳米颗粒的制备方法制备的FeS纳米颗粒。
7.一种如权利要求6所述FeS纳米颗粒在电化学分解水产氢催化中的应用。
8.一种由权利要求6所述FeS纳米颗粒制备的固体润滑剂。
9.一种由权利要求6所述FeS纳米颗粒制备的电极。
10.一种由权利要求6所述FeS纳米颗粒制备的污染物去除剂。
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