本發(fā)明涉及納米催化劑材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種高活性、晶面暴露的單斜晶型鉬酸鐵納米片的制備方法。
背景技術(shù)：
作為一種重要的功能性材料，鉬酸鐵已經(jīng)被證明在氣敏傳感、光催化、甲醇與丙烯等選擇性氧化催化方面擁有良好的應(yīng)用前景。鉬酸鐵是選擇性氧化催化劑的有效成分，在工業(yè)上有很好的應(yīng)用。在鉬酸鐵的催化下，空氣中的氧可以將甲醇氧化為甲醛，將丙烯氧化為環(huán)氧丙烷。鉬酸鐵的催化選擇性和催化效率往往受到制備條件的影響。目前，鉬酸鐵的合成制備方法主要包括共沉淀法、固相反應(yīng)法、水熱合成法。工業(yè)用鉬酸鐵催化劑一般用共沉淀法制備，主要存在選擇性不高的問題。
本發(fā)明制備的高活性(100)晶面暴露的鉬酸鐵納米片在催化甲醇轉(zhuǎn)化為甲醛，以及丙烯轉(zhuǎn)化為環(huán)氧丙烷的過程中表現(xiàn)出高選擇性，同時(shí)制備反應(yīng)溫度低，無需高溫處理，催化劑生產(chǎn)能耗低。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于提供一種高活性、(100)晶面暴露的單斜晶型鉬酸鐵納米片的制備方法，通過該方法制備得到的fe2(moo4)3催化劑對(duì)甲醇轉(zhuǎn)化為甲醛以及丙烯轉(zhuǎn)化為環(huán)氧丙烷反應(yīng)具有很高的選擇性，并且(100)晶面暴露的單斜晶型鉬酸鐵納米片具有比一般納米鉬酸鐵更高的催化活性，可用于氣敏傳感器的氣敏材料或光催化劑。
上述高活性、晶面暴露的單斜晶型鉬酸鐵納米片的制備方法，具體過程如下：首先將硝酸鐵水溶液和鉬酸鈉水溶液混合后調(diào)節(jié)ph至酸性，再加入硝酸鈉或氟化鈉作為晶面控制劑(只有在強(qiáng)酸性(ph<1.5)的時(shí)候才能發(fā)揮好的作用)，加熱混合溶液進(jìn)行水熱反應(yīng)，分離得高活性、(100)晶面暴露的fe2(moo4)3粉體。其中表面控制劑的作用原理是：在高溫水熱的情況下，酸性溶液中的氟離子或硝酸根可以刻蝕鉬酸鐵納米顆粒表面的鐵離子，使鐵離子含量較高的表面消失，只留下含鐵量較低的(100)晶面，從而實(shí)現(xiàn)晶面控制。
上述方案中，硝酸鐵水溶液和鉬酸鈉水溶液混合時(shí)，鉬酸鈉與硝酸鐵的摩爾比為3:2。
上述方案中，硝酸鐵水溶液和鉬酸鈉水溶液的濃度均為0.1-5mol/l。
上述方案中，晶面控制劑硝酸鈉或氟化鈉的加入量分別是硝酸鐵摩爾量的5-10倍或0.5-2倍。
上述方案中，混合溶液的ph調(diào)至0.6-1.0。
上述方案中，水熱反應(yīng)溫度為150-180℃，反應(yīng)時(shí)間為4-24h。
上述方案中，水熱反應(yīng)完成后經(jīng)抽濾、洗滌、干燥得到fe2(moo4)3粉體，干燥溫度控制在80-120℃。
本發(fā)明制得的單斜晶型鉬酸鐵納米片主要技術(shù)指標(biāo)如下：
1.納米片的厚度10-100nm；
2.納米片尺寸為50-2000nm×50-2000nm；
3.納米片顯露晶面主要為(100)晶面；
4.甲醇轉(zhuǎn)化為甲醛的選擇率大于96％，轉(zhuǎn)化率大于92％。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為：制備所得鉬酸鐵納米片為(100)晶面暴露的單斜晶型，與一般納米鉬酸鐵相比具有更高的催化活性以及催化選擇性；制備反應(yīng)溫度低，不需要高溫處理，催化劑生產(chǎn)能耗低。
具體實(shí)施方式
為使本領(lǐng)域技術(shù)人員更好的理解本發(fā)明的技術(shù)方案和有益效果，下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但所列舉的實(shí)施例并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的任何限制。
實(shí)施例1
一種高活性、(100)晶面暴露的fe2(moo4)3納米片的制備方法，具體步驟如下：
1)稱量404g的fe(no3)3·9h2o(1mol)，加入1l去離子水配制成1mol/l的溶液，稱量363g(1.5mol)na2moo4·2h2o加入1.5l去離子水配制成1mol/l的水溶液。將兩種溶液混合并攪拌均勻，其中鉬酸鈉和硝酸鐵的摩爾數(shù)比為3:2，調(diào)節(jié)溶液的ph至0.6，再加入42g(1mol)氟化鈉攪拌至溶解，將混合溶液轉(zhuǎn)移至反應(yīng)釜中，逐步升溫至180℃，保溫反應(yīng)24小時(shí)。水熱反應(yīng)完成后，將反應(yīng)產(chǎn)物抽濾并多次洗滌后，在80℃低溫干燥，得到高活性、(100)晶面暴露的鉬酸鐵納米片粉體。該納米片的厚度在100nm左右，納米片面積在2000nm×2000nm左右。
從本實(shí)施例制得的鉬酸鐵納米片粉體的xrd圖可以看出(200)、(400)晶面的衍射峰明顯高于其他峰，說明所制備的納米片的確為(100)晶面暴露的高活性鉬酸鐵。其他實(shí)施例最終產(chǎn)物的xrd圖也證明了這一點(diǎn)。
以此高活性(100)晶面暴露的fe2(moo4)3納米片材料為催化劑，在280-320℃范圍內(nèi)，利用空氣氧化甲醇轉(zhuǎn)化為甲醛。本催化劑材料使此反應(yīng)具有較高的選擇性和轉(zhuǎn)化率。甲醇轉(zhuǎn)化率達(dá)到93％(普通的鉬酸鐵最高轉(zhuǎn)化效率只有90％)，其中甲醛含量大于97％(普通的鉬酸鐵只有90％)。
實(shí)施例2
一種高活性、(100)晶面暴露的fe2(moo4)3納米片的制備方法，具體步驟如下：
1)稱量40.4g的fe(no3)3·9h2o(0.1mol)，加入1l去離子水配制成0.1mol/l的溶液，稱量36.3g(0.15mol)na2moo4·2h2o加入1.5l去離子水配制成0.1mol/l的水溶液。將兩種溶液混合并攪拌均勻，其中鉬酸鈉和硝酸鐵的摩爾數(shù)比為3:2，調(diào)節(jié)溶液的ph至1.0，再加入4.2g(0.1mol)氟化鈉攪拌至溶解。將混合溶液轉(zhuǎn)移至反應(yīng)釜中，逐步升溫至160℃，保溫反應(yīng)4小時(shí)。水熱反應(yīng)完成后，將反應(yīng)產(chǎn)物抽濾并多次洗滌后，在100℃低溫干燥，得到高活性、(100)晶面暴露的鉬酸鐵納米片粉體。該納米片的厚度在30nm左右，納米片面積為500nm×500nm左右。
以此高活性(100)晶面暴露的fe2(moo4)3納米片材料為催化劑，在280-320℃范圍內(nèi)，利用空氣氧化甲醇轉(zhuǎn)化為甲醛。本催化劑材料使此反應(yīng)具有較高的選擇性和轉(zhuǎn)化率。甲醇轉(zhuǎn)化率達(dá)到93％(普通的鉬酸鐵最高轉(zhuǎn)化效率只有90％)，其中甲醛含量大于97％(普通的鉬酸鐵只有90％)。
實(shí)施例3
一種高活性、(100)晶面暴露的fe2(moo4)3納米片的制備方法，具體步驟如下：
1)稱量40.4g的fe(no3)3·9h2o(0.1mol)，加入0.5l去離子水配制成0.2mol/l的溶液，稱量36.3g(0.15mol)na2moo4·2h2o加入1l去離子水配制成0.15mol/l的水溶液。將兩種溶液混合并攪拌均勻，其中鉬酸鈉和硝酸鐵的摩爾數(shù)比為3:2，調(diào)節(jié)溶液的ph至0.8，再加入8.4g(0.2mol)氟化鈉攪拌至溶解。將混合溶液轉(zhuǎn)移至反應(yīng)釜中，逐步升溫至150℃，保溫反應(yīng)12小時(shí)。水熱反應(yīng)完成后，將反應(yīng)產(chǎn)物抽濾并多次洗滌后，在100℃低溫干燥，得到高活性、(100)晶面暴露的鉬酸鐵納米片粉體。該納米片的厚度在20nm左右，納米片面積在100nm×100nm左右。
以此高活性(100)晶面暴露的fe2(moo4)3納米片材料為催化劑，在280-320℃范圍內(nèi)，利用空氣氧化甲醇轉(zhuǎn)化為甲醛。本催化劑材料使此反應(yīng)具有較高的選擇性和轉(zhuǎn)化率。甲醇轉(zhuǎn)化率達(dá)到93％(普通的鉬酸鐵最高轉(zhuǎn)化效率只有90％)，其中甲醛含量大于97％(普通的鉬酸鐵只有90％)。
實(shí)施例4
一種高活性、(100)晶面暴露的fe2(moo4)3納米片的制備方法，具體步驟如下：
1)稱量404g的fe(no3)3·9h2o(1mol)加入2l去離子水配制成0.5mol/l的溶液，稱量363g(1.5mol)na2moo4·2h2o加入3l去離子水配制成0.5mol/l的水溶液。將兩種溶液混合并攪拌均勻，其中鉬酸鈉和硝酸鐵的摩爾數(shù)比為3:2，調(diào)節(jié)溶液的ph至1，再加入21g(0.5mol)氟化鈉攪拌至溶解。將混合溶液轉(zhuǎn)移至反應(yīng)釜中，逐步升溫至180℃，保溫反應(yīng)6小時(shí)。水熱反應(yīng)完成后，將反應(yīng)產(chǎn)物抽濾并多次洗滌后，在120℃低溫干燥，得到高活性、(100)晶面暴露的鉬酸鐵納米片粉體。該納米片的厚度在50nm左右，納米片面積為1500nm×1500nm左右。
以此高活性(100)晶面暴露的fe2(moo4)3納米片材料為催化劑，在280-320℃范圍內(nèi)，利用空氣氧化甲醇轉(zhuǎn)化為甲醛。本催化劑材料使此反應(yīng)具有較高的選擇性和轉(zhuǎn)化率。甲醇轉(zhuǎn)化率達(dá)到92％(普通的鉬酸鐵最高轉(zhuǎn)化效率只有90％)，其中甲醛含量大于97％(普通的鉬酸鐵只有90％)。
實(shí)施例5
一種高活性、(100)晶面暴露的fe2(moo4)3納米片的制備方法，具體步驟如下：
1)稱量404g的fe(no3)3·9h2o(1mol)，加入1l去離子水配制成1mol/l的溶液，稱量363g(1.5mol)na2moo4·2h2o加入1.5l去離子水配制成1mol/l的水溶液。將兩種溶液混合并攪拌均勻，其中鉬酸鈉和硝酸鐵的摩爾數(shù)比為3:2，調(diào)節(jié)溶液的ph至0.6，再加入850g(10mol)硝酸鈉攪拌至溶解，將混合溶液轉(zhuǎn)移至反應(yīng)釜中，逐步升溫至180℃，保溫反應(yīng)24小時(shí)。水熱反應(yīng)完成后，將反應(yīng)產(chǎn)物抽濾并多次洗滌后，在80℃低溫干燥，得到高活性、(100)晶面暴露的鉬酸鐵納米片粉體。該納米片的厚度在100nm左右，納米片面積在2000nm×2000nm左右。
以此高活性(100)晶面暴露的fe2(moo4)3納米片材料為催化劑，在280-320℃范圍內(nèi)，利用空氣氧化甲醇轉(zhuǎn)化為甲醛。本催化劑材料使此反應(yīng)具有較高的選擇性和轉(zhuǎn)化率。甲醇轉(zhuǎn)化率達(dá)到93％(普通的鉬酸鐵最高轉(zhuǎn)化效率只有90％)，其中甲醛含量大于97％(普通的鉬酸鐵只有90％)。
實(shí)施例6
1)稱量40.4g的fe(no3)3·9h2o(0.1mol)，加入1l去離子水配制成0.1mol/l的溶液，稱量36.3g(0.15mol)na2moo4·2h2o加入1.5l去離子水配制成0.1mol/l的水溶液。將兩種溶液混合并攪拌均勻，其中鉬酸鈉和硝酸鐵的摩爾數(shù)比為3:2，調(diào)節(jié)溶液的ph至1.0，再加入42.5g(0.5mol)硝酸鈉攪拌至溶解。將混合溶液轉(zhuǎn)移至反應(yīng)釜中，逐步升溫至160℃，保溫反應(yīng)4小時(shí)。水熱反應(yīng)完成后，將反應(yīng)產(chǎn)物抽濾并多次洗滌后，在100℃低溫干燥，得到高活性、(100)晶面暴露的鉬酸鐵納米片粉體。該納米片的厚度在30nm左右，納米片面積為500nm×500nm左右。
以此高活性(100)晶面暴露的fe2(moo4)3納米片材料為催化劑，在280-320℃范圍內(nèi)，利用空氣氧化甲醇轉(zhuǎn)化為甲醛。本催化劑材料使此反應(yīng)具有較高的選擇性和轉(zhuǎn)化率。甲醇轉(zhuǎn)化率達(dá)到92％(普通的鉬酸鐵最高轉(zhuǎn)化效率只有90％)，其中甲醛含量大于97％(普通的鉬酸鐵只有90％)。
實(shí)施例7
一種高活性、(100)晶面暴露的fe2(moo4)3納米片的制備方法，具體步驟如下：
1)稱量40.4g的fe(no3)3·9h2o(0.1mol)，加入0.5l去離子水配制成0.2mol/l的溶液，稱量36.3g(0.15mol)na2moo4·2h2o加入1l去離子水配制成0.15mol/l的水溶液。將兩種溶液混合并攪拌均勻，其中鉬酸鈉和硝酸鐵的摩爾數(shù)比為3:2，調(diào)節(jié)溶液的ph至0.8，再加入85g(1mol)硝酸鈉攪拌至溶解。將混合溶液轉(zhuǎn)移至反應(yīng)釜中，逐步升溫至150℃，保溫反應(yīng)12小時(shí)。水熱反應(yīng)完成后，將反應(yīng)產(chǎn)物抽濾并多次洗滌后，在100℃低溫干燥，得到高活性、(100)晶面暴露的鉬酸鐵納米片粉體。該納米片的厚度在20nm左右，納米片面積在100nm×100nm左右。
以此高活性(100)晶面暴露的fe2(moo4)3納米片材料為催化劑，在280-320℃范圍內(nèi)，利用空氣氧化甲醇轉(zhuǎn)化為甲醛。本催化劑材料使此反應(yīng)具有較高的選擇性和轉(zhuǎn)化率。甲醇轉(zhuǎn)化率達(dá)到92％(普通的鉬酸鐵最高轉(zhuǎn)化效率只有90％)，其中甲醛含量大于97％(普通的鉬酸鐵只有90％)。
實(shí)施例8
一種高活性、(100)晶面暴露的fe2(moo4)3納米片的制備方法，具體步驟如下：
1)稱量404g的fe(no3)3·9h2o(1mol)加入2l去離子水配制成0.5mol/l的溶液，稱量363g(1.5mol)na2moo4·2h2o加入3l去離子水配制成0.5mol/l的水溶液。將兩種溶液混合并攪拌均勻，其中鉬酸鈉和硝酸鐵的摩爾數(shù)比為3:2，調(diào)節(jié)溶液的ph至1，再加入510g(6mol)硝酸鈉攪拌至溶解。將混合溶液轉(zhuǎn)移至反應(yīng)釜中，逐步升溫至180℃，保溫反應(yīng)6小時(shí)。水熱反應(yīng)完成后，將反應(yīng)產(chǎn)物抽濾并多次洗滌后，在120℃低溫干燥，得到高活性、(100)晶面暴露的鉬酸鐵納米片粉體。該納米片的厚度在50nm左右，納米片面積為1500nm×1500nm左右。
以此高活性(100)晶面暴露的fe2(moo4)3納米片材料為催化劑，在280-320℃范圍內(nèi)，利用空氣氧化甲醇轉(zhuǎn)化為甲醛。本催化劑材料使此反應(yīng)具有較高的選擇性和轉(zhuǎn)化率。甲醇轉(zhuǎn)化率達(dá)到92％(普通的鉬酸鐵最高轉(zhuǎn)化效率只有90％)，其中甲醛含量大于97％(普通的鉬酸鐵只有90％)。