一种类珊瑚结构四氧化三铁纳米材料的制备及应用制造技术

本发明专利技术提供了一种类珊瑚结构Fe3O4纳米材料的制备，是以橘子皮为还原剂和模板，水为溶剂，Fe(NO3)3∙9H2O为铁源，通过浸渍‑煅烧两步法制得。其具体制备方法为：将橘子皮清洗干净、自然晾干粉碎后浸入Fe(NO3)3∙9H2O水溶液中6~12 h，沥出固形物自然晾干，即得吸附了Fe

PREPARATION AND APPLICATION OF A CORAL-LIKE IRON TRIOXIDE NANOMATERIAL

The invention provides the preparation of a coral-like structure Fe3O4 nanomaterial, which is prepared by dipping and calcining two-step method using orange peel as reducing agent and template, water as solvent, Fe(NO3)3_9H_2O as iron source. The specific preparation method is as follows: the orange peel is cleaned, dried and crushed naturally, then immersed in Fe(NO3)3_9H_2O aqueous solution for 6-12 hours, and the solid is leached out and dried naturally, thus Fe is adsorbed.

【技术实现步骤摘要】
一种类珊瑚结构四氧化三铁纳米材料的制备及应用
本专利技术涉及一种Fe3O4纳米材料，尤其涉及一种类珊瑚结构Fe3O4纳米材料的制备方法，主要作为电催化剂用于电解水反应，属于纳米材料和电催化

技术介绍
随着人口的增加及科学技术的发展，当前社会能源的消耗愈加严重。人们对化石燃料的开采，已经对人们的生活带来了危机，同时对废弃物（燃烧产物）的排放也给地球带来了严峻的问题。氢作为绿色和可再生能源，有望缓解能源危机和环境污染的压力。电解水可以产出高纯度的氢气，电解水过程包含阴极的析氢反应和阳极的析氧反应。由于析氧反应涉及到复杂的四电子氧化还原过程，在反应过程中会产生高的过电势，从而导致低的能量转换效率。目前，优异性能的电催化剂都是基于贵金属，如在析氧反应中所用的IrO2和RuO2催化剂和析氢反应中所用的Pt等。由于这些贵金属价格昂贵而限制它们的广泛应用。因此，开发廉价的过渡金属氧化物来作为一种高催化活性和高稳定性的电催化剂得到了广泛关注。尖晶石氧化物Fe3O4纳米粒子，由于其铁源在地球中含量丰富，且其自身成本低廉，环境友好，易于合成，被认为是许多领域中有广阔前景的材料。Fe3O4纳米粒子由于其很好的导电性、磁性和高的电催化活性而引起了大家的广泛关注。目前，制备纳米金属氧化物的方法有很多，如溶剂法，球磨法，共沉淀法，微乳液法等。但以上方法操作复杂、使用众多化学试剂（如碱性试剂、还原剂，表面活性剂等等）、成本高、污染环境，因此大批量生产-应用受限。本专利技术提供一种新的低成本、绿色环保制备方法~浸渍-煅烧法来制备金属氧化物。在制备过程中除铁源（Fe(NO3)3∙9H2O）和橘子皮（OP）、溶剂-水外，无需添加其它任何添加剂（如碱性试剂或表面活性剂等），制备方法简单、成本低、绿色环保、能够实现废弃资源再利用，符合绿色化学理念。橘子分布于长江以南各地区。橘子皮主要含有纤维素和木质素等成分。但每年都会有大量的橘子皮作为废弃物被丢弃，既造成了资源的浪费，也导致了环境的污染。若以橘子皮为还原剂和模板，进行材料的制备，不仅能够赋予材料特殊的形貌和优良性能，而且可以实现废弃资源的再利用，而具有重要的实际意义。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有技术制备Fe3O4纳米粒子存在的问题，提供一种类珊瑚结构Fe3O4纳米材料的制备方法。一、类珊瑚结构Fe3O4纳米材料的制备本专利技术多功能类珊瑚结构Fe3O4纳米材料的制备，是以橘子皮为还原剂和模板，水为溶剂，Fe(NO3)3∙9H2O为铁源，通过浸渍-煅烧两步法制得。其具体制备方法为：将橘子皮清洗干净、自然晾干粉碎后浸入Fe(NO3)3∙9H2O水溶液中6~12h，沥出固形物自然晾干，即得吸附了Fe3+的前驱体材料（标记为Fe3+/OP），再将前驱材料于250~650℃下煅烧2.0~2.5h，即得类珊瑚结构的Fe3O4纳米材料。OP和Fe(NO3)3∙9H2O的质量比为0.1:1~1:1（优选0.77:1)。二、Fe3O4纳米结构材料的表征下面利用XRD、SEM、TEM等技术对本专利技术制备的样品的结构等进行表征。图1a为OP与Fe(NO3)3∙9H2O的质量比为0.77:1.00时所得前驱材料Fe3+/OP分别在250、350、450、550、600℃下煅烧2h所得样品（依次标记为CT-250、CT-350、CT-450、CT-550、CT-600）的XRD图。XRD谱图中的衍射峰与Fe3O4和γ-Fe2O3的标准卡片（JCPDS19-0629和JCPDS39-1346）基本一致。从图1a还可以看出：随着煅烧温度从250℃升高到600℃，样品的衍射峰强度呈现增强和半峰宽减小的趋势，即煅烧温度越高，样品结晶性越好。为了进一步确定材料中相的组成（因为Fe3O4和γ-Fe2O3具有相似的XRD图谱），将32~40o之间的特征衍射峰进行局部放大（见图1b），对比发现其能够更好的与Fe3O4标准卡片（JCPDS19-0629）相一致，这就说明在适量OP（OP与Fe(NO3)3∙9H2O质量比为0.77:1.00）存在的条件下，所得样品中的铁氧化物为Fe3O4。样品OP-0.000（不添加OP）和样品OP-2.500（OP与Fe(NO3)3∙9H2O的质量比为0.77:1.00）颜色和磁性能的比较：在不添加OP、煅烧温度450oC条件下，所得样品OP-0.000是铁锈红的Fe2O3，无磁性；而添加了2.500g的OP、煅烧温度450oC所得样品OP-2.500（亦即样品CT-450）为褐色，有强的磁性。该结果表明添加OP不仅仅可以赋予材料特殊形貌（见样品的SEM），还可以发挥还原剂的作用，将部分Fe3+还原Fe2+，从而使由单一价态（+3价）铁盐（Fe(NO3)3∙9H2O）制备Fe3O4成为可能。并且该制备过程没有添加任何碱性试剂，因此还可以说明OP同时又作供氧剂。图2为样品CT-450不同倍数的SEM图。从低倍SEM图可以看到，样品具有类珊瑚状的结构（“枝丫丛生”）；从高倍SEM可以看出，样品的类珊瑚状结构是由很薄的纳米片（见样品的TEM）组装而成的。该结果表明：OP赋予了样品特殊的3D形貌。图3为样品CT-450、-600不同倍数的TEM图。从样品CT-450的TEM可以看到，样品是由尺寸小于10nm的纳米颗粒组装而成的很薄的纳米片（图3a），且纳米颗粒的尺寸比较均匀。与CT-450相比，样品CT-600（图3b）则是由少量稍大尺寸（平均尺寸约为11nm）的粒子形成的小聚集体，这应该与OP在相对较高温度下剧烈燃烧所产生气体的巨大冲力有关。从样品CT-450和-600的高倍TEM（图3c、d）中的晶格条纹可以看出：样品CT-450的结晶性能明显较CT-600差（与该样品的XRD结果一致），而且还发现样品CT-450微晶粒（界面处）的晶格条纹存在明显的扭曲变形，即晶格畸变。三、类珊瑚结构Fe3O4纳米结构材料的电催化析氧性能以及磁性能工作电极的制备：将10mg本专利技术专利所制得的样品分散在1mL蒸馏水和乙醇（水和乙醇体积比1:1）混合溶剂中，超声处理15min，制成均匀的分散液；用移液器将该分散液滴加到直径为5mm的玻碳电极上并自然晾干；滴加2uLNafion溶液（用做粘合剂），自然晾干，既得工作电极。以下分别考察煅烧温度（250~650℃）和模板用量（0.000~2.500g）对样品析氧性能和磁性能的影响。1、煅烧温度（250~650℃）对样品析氧性能的影响图4为样品CT-250、-350、-450、-550和-650的LSV曲线（扫速为0.01Vs-1，电解液为1MNaOH）。从图4可以看出样品CT-250~650的析氧性能有很大差异。图5为样品CT-250~650的过电势图。由图5可知，在电流密度为10mAcm-2时，CT-250、-350、-450、-550、-650的过电位分别为348、224、188、257、492mV（vs.RHE），即CT-450的过电势（188mV）最低，有最好的电催化析氧性能。ShanHan等人合成的Fe3O4薄膜，在1MNaOH电解液中，当电流密度为10mAcm-2时，过电势超过了500mV（vs.RHE）；XiaoFengSun等人用溶剂热的方法制备了本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种类珊瑚结构Fe3O4纳米材料的制备方法，是将橘子皮清洗干净、自然晾干粉碎后浸入Fe(NO3)3∙9H2O水溶液中，使Fe

【技术特征摘要】
1.一种类珊瑚结构Fe3O4纳米材料的制备方法，是将橘子皮清洗干净、自然晾干粉碎后浸入Fe(NO3)3∙9H2O水溶液中，使Fe3+吸附于橘子皮上；沥出固形物自然晾干后得吸附了Fe3+的前驱体材料，再将前驱材料经高温煅烧，即得类珊瑚结构的Fe3O4纳米材料。2.如权利要求1所述一种类珊瑚结构Fe3O4纳米材料的制备方法，其特征在于：橘子皮干粉与Fe(NO3)3∙9H2O的质量比为0...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏碧桃，魏苗苗，杨海东，韩玉琦，雷自强，
申请(专利权)人：西北师范大学，
类型：发明
国别省市：甘肃,62