專利名稱：一種制備Ca₂Fe₂O₅納米粉體的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制備納米粉體的方法，具體涉及一種制備Ca2Fe2O5納米粉體的方法。
背景技術(shù)：
近年來，鈣鐵石結(jié)構(gòu)化合物因其特殊的晶體結(jié)構(gòu)，優(yōu)良的物理、化學(xué)性質(zhì)，受到材料研究人員的廣泛關(guān)注。A2B2O5型鈣鐵石結(jié)構(gòu)氧化物在結(jié)構(gòu)上與鈣鈦礦類型氧化物相似，可以看作是B-O八面體層和B-O四面體層相互交疊而成的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)。這類材料在電學(xué)、磁學(xué)、和光催化等方面都展現(xiàn)了良好的性能，因此而成為材料研究的熱點(diǎn)。Ca2Fe2O5作為鈣鐵石型化合物的代表，具有良好的晶體結(jié)構(gòu)，較高的光催化活性。研究表明含鐵化合物的禁帶寬度一般在1.9-2.3eV之間，說明Ca2Fe2O5作為窄禁帶半導(dǎo)體光催化劑能有效利用可見光降解有機(jī)污染物。此外，Ca2Fe2O5與其他氧化物負(fù)載如NiO可作為光解水制氫的光催化劑。在能源緊缺的當(dāng)今社會，有著巨大的應(yīng)用價值。但這類材料合成比較困難，主要因?yàn)镃aO與CaFe2O4這一步反應(yīng)活化能高，導(dǎo)致反工藝復(fù)雜且CaFe2O4難以除去。到目前為止，有關(guān)Ca2Fe2O5的制備方法主要有:固相法、化學(xué)共沉淀法、溶膠-凝膠法等。固相法制備Ca2Fe2O5的合成溫度高，一般達(dá)到1000-1300°C，且反應(yīng)不易進(jìn)行完全，生成的粉體在純度及形貌等方面較差?；瘜W(xué)共沉淀法的優(yōu)點(diǎn)是操作簡單，易于得到產(chǎn)物，產(chǎn)生復(fù)合氧化物純度較高，組分均勻，是一般的固相法和球磨法難以得到的。但共沉淀法有可能將雜質(zhì)引入粉體中，且在制備Ca2Fe2O5時，煅燒溫度和保溫時間都比較長，不利于節(jié)能和環(huán)保。溶膠-凝膠法較前兩種方法制得的粉體純度，但溶膠-凝膠法也存在著一定的缺陷，如溶膠到凝膠的過程不易控制，導(dǎo)致了 CaFe2O4的產(chǎn)生，實(shí)驗(yàn)周期長，且工藝復(fù)雜，不易操作。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種制備Ca2Fe2O5納米粉體的方法，該方法焙燒原料廉價，工藝操作簡單，焙燒溫度低且能保證操作人員的身體健康和安全，制備出的Ca2Fe2O5納米粉體純度高、粒度小、均勻、結(jié)晶性能良好。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案包括以下步驟:I)將分析純的硝酸鐵和分析純的硝酸鈣分別配制成濃度為0.1 1.0mol/L的硝酸鐵溶液和0.1 1.0mol/L的硝酸鈣溶液；2)將硝酸鐵溶液和硝酸鈣溶液混合均勻，得混合溶液A ;其中，混合溶液A中的鐵離子與鈣離子的摩爾比為1:1 ;3)向混合溶液A中加入甘氨酸，并攪拌均勻；得混合溶液B ;其中，甘氨酸的加入量是混合溶液A中硝酸鐵和硝酸鈣總摩爾量的1.0 3.0倍；

4)將混合溶液B放入馬弗爐中加熱至100 300°C保溫，得到深棕色蓬松狀的初級粉體，再將深棕色蓬松狀的初級粉體在馬弗爐中加熱至300 700°C，即得Ca2Fe2O5納米粉體。
所述的步驟I)在配制硝酸鐵溶液和硝酸鈣溶液時是以容量瓶定容的。所述的步驟I)中硝酸鐵溶液和硝酸鈣溶液的摩爾濃度相同。所述的步驟3)中攪拌采用磁力攪拌器攪拌，攪拌時間為lOmin。所述的步驟4)中100 300°C下保溫時間為O lh，深棕色蓬松狀的初級粉體加熱到300 700°C后保溫焙燒，焙燒時間為0.5 2h。所述的步驟4)在馬弗爐中加熱至300 700°C前，將得到的深棕色蓬松狀的初級粉體研磨均勻。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于:本發(fā)明以硝酸鐵和硝酸鈣為原料，甘氨酸為助燃劑，采用甘氨酸-硝酸鹽法制備得到的Ca2Fe2O5納米粉體粒度小、均勻、結(jié)晶性能良好、純度高。本發(fā)明制得的Ca2Fe2O5納米粉體能夠用作光催化劑以降解有機(jī)污染物或用于固體燃料電池的陰極材料。本發(fā)明與傳統(tǒng)方法相比，其優(yōu)點(diǎn)是原料相對廉價，工藝操作簡單；同時與其他方法相比，本發(fā)明焙燒溫度在300 700°C，焙燒溫度明顯降低，有利于節(jié)能和環(huán)保；而且作為助燃劑使用的甘氨酸無毒無害，保證了操作人員的身體健康和安全，因此本發(fā)明具有產(chǎn)業(yè)化的潛力。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例2制備的深棕色蓬松狀的初級粉體的XRD圖；圖2是本發(fā)明實(shí)施例2制備的Ca2Fe2O5納米粉體的XRD圖；圖3為本發(fā)明實(shí)施例2制備的Ca2Fe2O5納米粉體的掃描電鏡照片。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明將配制成的硝酸鐵溶液和硝酸鈣溶液混合均勻，得混合溶液A ;然后根據(jù)推進(jìn)化學(xué)理論，向混合溶液A中加入作為助燃劑的甘氨酸，再送入馬弗爐中濃縮，當(dāng)加熱至100 30(TC，發(fā)生自蔓延反應(yīng)，得到深棕色蓬松狀初級粉體，將深棕色蓬松狀初級粉體研磨后，放入馬弗爐中加熱至300-700°C保溫焙燒，便得到深褐色Ca2Fe2O5納米粉體。下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。實(shí)施例1:I)將分析純的硝酸鐵和分析純的硝酸鈣分別用250ml的容量瓶配制成濃度為
0.5mol/L的硝酸鐵溶液和0.5mol/L的硝酸鈣溶液；2)移取20mL的硝酸鐵溶液和20mL的硝酸鈣溶液混合均勻，得混合溶液A ;其中，混合溶液A中的鐵離子與鈣離子的摩爾比為1:1 ;3)根據(jù)推進(jìn)化學(xué)理論，向混合溶液A中加入作為助燃劑的甘氨酸，并用磁力攪拌器攪拌均勻，攪拌時間為lOmin，得混合溶液B ;其中，甘氨酸的加入量是混合溶液A中硝酸鐵和硝酸鈣總摩爾量的1.5倍；4)將混合溶液B放入馬弗爐中加熱至150°C，得到深棕色蓬松狀的初級粉體，然后將深棕色蓬松狀的初級粉體研磨均勻，再在馬弗爐中加熱至700°C保溫焙燒0.5h，即得深褐色Ca2Fe2O5納米粉體。實(shí)施例2:I)將分析純的硝酸鐵和分析純的硝酸鈣分別用250ml的容量瓶配制成濃度為0.lmol/L的硝酸鐵溶液和0.lmol/L的硝酸鈣溶液；2)移取20mL的硝酸鐵溶液和20mL的硝酸鈣溶液混合均勻，得混合溶液A ;其中，混合溶液A中的鐵離子與鈣離子的摩爾比為1:1 ;3)根據(jù)推進(jìn)化學(xué)理論，向混合溶液A中加入作為助燃劑的甘氨酸，并用磁力攪拌器攪拌均勻，攪拌時間為lOmin，得混合溶液B ;其中，甘氨酸的加入量是混合溶液A中硝酸鐵和硝酸鈣總摩爾量的2.8倍；4)將混合溶液B放入馬弗爐中加熱至200°C，得到深棕色蓬松狀的初級粉體，然后將深棕色蓬松狀的初級粉體研磨均勻，再在馬弗爐中加熱至600°C保溫焙燒1.0h,即得深褐色Ca2Fe2O5納米粉體。圖1為本實(shí)施例深棕色蓬松狀的初級粉體的XRD圖；由圖1可以看出，混合溶液B在馬弗爐中發(fā)生自蔓延反應(yīng)得到的深棕色蓬松狀的初級粉體是非晶的。將本實(shí)施例得到的深棕色蓬松狀的初級粉體在更高的溫度下焙燒，得到Ca2Fe2O5納米粉體，Ca2Fe2O5納米粉體的XRD圖如圖2所示，由圖2可以看出所得的Ca2Fe2O5納米粉體物相純凈，不含有其他雜質(zhì)，且衍射峰尖銳，結(jié)晶性能良好。因此，將深棕色蓬松狀的初級粉體在更高溫度下焙燒能 夠提高產(chǎn)物的結(jié)晶性能，使晶體結(jié)構(gòu)趨于完善。圖3為本實(shí)施例制得的Ca2Fe2O5納米粉體的掃描電鏡照片；從圖3可以看出所得的Ca2Fe2O5納米粉體的晶粒尺寸在60nm，且分散性良好，呈蠕蟲狀小顆粒，這些蠕蟲狀小顆粒交聯(lián)在一起形成網(wǎng)絡(luò)狀，有利于有機(jī)污染物的吸附。實(shí)施例3:I)將分析純的硝酸鐵和分析純的硝酸鈣分別用250ml的容量瓶配制成濃度為
0.2mol/L的硝酸鐵溶液和0.2mol/L的硝酸鈣溶液；2)移取20mL的硝酸鐵溶液和20mL的硝酸鈣溶液混合均勻，得混合溶液A ;其中，混合溶液A中的鐵離子與鈣離子的摩爾比為1:1 ;3)根據(jù)推進(jìn)化學(xué)理論，向混合溶液A中加入作為助燃劑的甘氨酸，并用磁力攪拌器攪拌均勻，攪拌時間為lOmin，得混合溶液B ;其中，甘氨酸的加入量是混合溶液A中硝酸鐵和硝酸鈣總摩爾量的2.0倍；4)將混合溶液B放入馬弗爐中加熱至200°C，保溫lh，得到深棕色蓬松狀的初級粉體，然后將深棕色蓬松狀的初級粉體研磨均勻，再在馬弗爐中加熱至500°C保溫焙燒1.0h,即得深褐色Ca2Fe2O5納米粉體。實(shí)施例4:I)將分析純的硝酸鐵和分析純的硝酸鈣分別用250ml的容量瓶配制成濃度為
1.0mol/L的硝酸鐵溶液和1.0mol/L的硝酸鈣溶液；2)移取20mL的硝酸鐵溶液和20mL的硝酸鈣溶液混合均勻，得混合溶液A ;其中，混合溶液A中的鐵離子與鈣離子的摩爾比為1:1 ;3)根據(jù)推進(jìn)化學(xué)理論，向混合溶液A中加入作為助燃劑的甘氨酸，并用磁力攪拌器攪拌均勻，攪拌時間為lOmin，得混合溶液B ;其中，甘氨酸的加入量是混合溶液A中硝酸鐵和硝酸鈣總摩爾量的3.0倍；4)將混合溶液B放入馬弗爐中加熱至200°C，得到深棕色蓬松狀的初級粉體，然后在馬弗爐中加熱至600°C，即得深褐色Ca2Fe2O5納米粉體。
實(shí)施例5:I)將分析純的硝酸鐵和分析純的硝酸鈣分別用250ml的容量瓶配制成濃度為
1.0mol/L的硝酸鐵溶液和1.0mol/L的硝酸鈣溶液；2)移取20mL的硝酸鐵溶液和20mL的硝酸鈣溶液混合均勻，得混合溶液A ;其中，混合溶液A中的鐵離子與鈣離子的摩爾比為1:1 ;3)根據(jù)推進(jìn)化學(xué)理論，向混合溶液A中加入作為助燃劑的甘氨酸，并用磁力攪拌器攪拌均勻，攪拌時間為lOmin，得混合溶液B ;其中，甘氨酸的加入量是混合溶液A中硝酸鐵和硝酸鈣總摩爾量的3.0倍；4)將混合溶液B放入馬弗爐中加熱至200°C，得到深棕色蓬松狀的初級粉體，然后在馬弗爐中加熱至600°C，即得深褐色Ca2Fe2O5納米粉體。實(shí)施例6:I)將分析純的硝酸鐵和分析純的硝酸鈣分別用250ml的容量瓶配制成濃度為
1.0mol/L的硝酸鐵溶液和1.0mol/L的硝酸鈣溶液；2)移取35mL的硝酸鐵溶液和35mL的硝酸鈣溶液混合均勻，得混合溶液A ;其中，混合溶液A中的鐵離子與鈣離子 的摩爾比為1:1 ;3)根據(jù)推進(jìn)化學(xué)理論，向混合溶液A中加入作為助燃劑的甘氨酸，并用磁力攪拌器攪拌均勻，攪拌時間為lOmin，得混合溶液B ;其中，甘氨酸的加入量是混合溶液A中硝酸鐵和硝酸鈣總摩爾量的2.8倍；4)將混合溶液B放入馬弗爐中加熱至100°C，保溫0.6h,得到深棕色蓬松狀的初級粉體，然后將深棕色蓬松狀的初級粉體研磨均勻，再在馬弗爐中加熱至300°C保溫焙燒2h，即得深褐色Ca2Fe2O5納米粉體。實(shí)施例7:I)將分析純的硝酸鐵和分析純的硝酸鈣分別用250ml的容量瓶配制成濃度為0.5mol/L的硝酸鐵溶液和0.5mol/L的硝酸鈣溶液；2)移取40mL的硝酸鐵溶液和40mL的硝酸鈣溶液混合均勻，得混合溶液A ;其中，混合溶液A中的鐵離子與鈣離子的摩爾比為1:1 ;3)根據(jù)推進(jìn)化學(xué)理論，向混合溶液A中加入作為助燃劑的甘氨酸，并用磁力攪拌器攪拌均勻，攪拌時間為lOmin，得混合溶液B ;其中，甘氨酸的加入量是混合溶液A中硝酸鐵和硝酸鈣總摩爾量的1.0倍；4)將混合溶液B放入馬弗爐中加熱至300°C，保溫0.2h,得到深棕色蓬松狀的初級粉體，然后將深棕色蓬松狀的初級粉體研磨均勻，再在馬弗爐中加熱至450°C保溫焙燒2h，即得深褐色Ca2Fe2O5納米粉體。
權(quán)利要求
1.一種制備Ca2Fe2O5納米粉體的方法，其特征在于，包括以下步驟: 1)將分析純的硝酸鐵和分析純的硝酸鈣分別配制成濃度為0.1 1.0mol/L的硝酸鐵溶液和0.1 1.0mol/L的硝酸鈣溶液； 2)將硝酸鐵溶液和硝酸鈣溶液混合均勻，得混合溶液A;其中，混合溶液A中的鐵離子與鈣離子的摩爾比為1:1 ; 3)向混合溶液A中加入甘氨酸，并攪拌均勻；得混合溶液B;其中，甘氨酸的加入量是混合溶液A中硝酸鐵和硝酸鈣總摩爾量的1.0 3.0倍； 4)將混合溶液B放入馬弗爐中加熱至100 300°C保溫，得到深棕色蓬松狀的初級粉體，再將深棕色蓬松狀的初級粉體在馬弗爐中加熱至300 700°C，即得Ca2Fe2O5納米粉體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備Ca2Fe2O5納米粉體的方法，其特征在于:所述的步驟I)在配制硝酸鐵溶液和硝酸鈣溶液時是以容量瓶定容的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備Ca2Fe2O5納米粉體的方法，其特征在于:所述的步驟I)中硝酸鐵溶液和硝酸鈣溶液的摩爾濃度相同。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備Ca2Fe2O5納米粉體的方法，其特征在于:所述的步驟3)中攪拌采用磁力攪拌器攪拌，攪拌時間為lOmin。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備Ca2Fe2O5納米粉體的方法，其特征在于:所述的步驟4)中100 300°C下保溫時間為O lh，深棕色蓬松狀的初級粉體加熱到300 700°C后保溫焙燒，焙燒時間為0.5 2h。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的制備Ca2Fe2O5納米粉體的方法，其特征在于:所述的步驟4)在馬弗爐中加熱至300 700°C前， 將得到的深棕色蓬松狀的初級粉體研磨均勻。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種制備Ca2Fe2O5納米粉體的方法，將硝酸鐵溶液和硝酸鈣溶液混合均勻，得混合溶液A；然后根據(jù)推進(jìn)化學(xué)理論，向混合溶液A中加入甘氨酸，再送入馬弗爐中加熱至100～300℃，發(fā)生自蔓延反應(yīng)，得深棕色蓬松狀初級粉體，然后再在300-700℃下焙燒，得Ca2Fe2O5納米粉體。本發(fā)明原料相對廉價，工藝操作簡單；同時焙燒溫度明顯降低，有利于節(jié)能和環(huán)保；而且作為助燃劑使用的甘氨酸無毒無害，保證了操作人員的健康和安全，本發(fā)明制得的Ca2Fe2O5納米粉體純度高、粒度小、均勻、結(jié)晶性能良好，該納米粉體可用作光催化劑以降解有機(jī)污染物或用于固體燃料電池的陰極材料。
文檔編號C01G49/00GK103145190SQ20131006658
公開日2013年6月12日 申請日期2013年3月1日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月1日
發(fā)明者王芬, 王靜, 朱建鋒 申請人:陜西科技大學(xué)