一种利用金属氧化物催化制备Fe3O4的方法技术

一种利用金属氧化物催化剂制备Fe3O4的方法，按以下步骤进行：向Fe

A METHOD FOR PREPARATION OF Fe3O4 CATALYZED BY METAL OXIDE

A method for preparing Fe3O4 by using metal oxide catalysts is described in the following steps:

【技术实现步骤摘要】
一种利用金属氧化物催化制备Fe3O4的方法
本专利技术涉及一种铁化合物的制备方法，具体涉及一种利用金属氧化物催化制备Fe3O4的方法。
技术介绍
中国每年酸洗数百万吨的氧化铁，造成大量含有Fe2+的酸洗废液。《钢铁工业水污染物排放标准》(GB13456.2012)U，明确规定总铁的含量小于10mg/L。然而，一般的钢材酸洗废液中，存在浓度大于100g/L的Fe2+离子，无法直接排放，需要无害化处理。但作为废液排放，大量的Fe2+被浪费，不仅造成巨大的环境负担，也是一种经济损失。因此，将废液中的Fe2+转化成有经济价值的产物，是迫切需求。以酸洗废液为原料制备Fe3O4是一种回收Fe2+的途径。由于Fe含量较高，Fe3O4可以直接回炉炼铁，此外，在颜料、磁性材料、医药生物及催化等领域均有应用，价值较高。最新发现，单晶八面体的Fe3O4在燃料电池领域具有重要作用。传统水热法或共沉淀法中，通过Fe2+离子出发直接制备Fe3O4，通常需要氧化剂，或添加一定配比的Fe3+盐。为得到纯相Fe3O4，氧化剂的供给量及Fe2+与Fe3+的比例需要严密调控。如果无法控制Fe2+离子的氧化过程，产物中FeOOH、Fe2O3等杂质含量较高，后处理困难，并极大地增加经济成本。因此，传统方法在实际Fe2+的回收方面难度较大。专利技术人在前期的研究中发现，向Fe2+溶液中加入含有Cu2+、Ni2+和Co2+等的盐溶液，可以高效制备高纯度Fe3O4，如专利文献CN108751262A中所描述，该方法较传统方法大大简化了制备过程。后续的研究进一步探索了Cu2+、Ni2+和Co2+等的盐在制备Fe3O4的机理，在此基础上提出了新的制备方法。
技术实现思路
为解决以上技术问题，本专利技术提供一种工艺简单、收率高、产物纯度高的制备Fe3O4的方法。技术方案如下：一种利用金属氧化物催化制备Fe3O4的方法，其关键在于按以下步骤进行：向Fe2+溶液中加入金属M氧化物粉末并分散，然后加入碱溶液得到混合溶液，该混合溶液进行水热反应，得到含有Fe3O4颗粒的悬浊液，分离出产物Fe3O4；所述金属M氧化物为CuO、Cu2O、CoO或Co3O4中的至少一种。作为优选技术方案，上述金属M氧化物粉末中M元素与所述混合溶液中金属元素的原子百分比为M/(M+Fe)＝0.1～50at.％。作为优选技术方案，上述金属M氧化物粉末中M元素与所述混合溶液中金属元素的原子百分比为M/(M+Fe)＝1～10at.％。作为优选技术方案，上述水热反应的温度为100～200℃。作为优选技术方案，上述水热反应的温度为120～150℃。作为优选技术方案，上述水热反应时间为0.5～48h。作为优选技术方案，上述水热反应时间为4～6h。作为优选技术方案，上述Fe2+溶液中Fe2+的浓度为0.01～5mol/L。作为优选技术方案，上述碱溶液中OH-的浓度为0.2～8mol/L。附图说明图1为对照例制备的样品X射线衍射(XRD)图谱；图2为部分实施例方法制备得到的样品XRD图谱，其中：(a)实施例8；(b)实施例9(上)和实施例5(下)；(c)实施例10；(d)实施例11；图3为以氧化铜为催化剂制得样品的典型扫描电子显微镜(SEM)图片及能谱仪(EDS)面扫结果。具体实施方式下面结合实施例和附图对本专利技术作进一步说明。(一)Fe3O4的制备一种利用金属氧化物催化剂制备Fe3O4的方法，其步骤为：向Fe2+溶液中加入金属M的氧化物粉末并分散，添加量为，以金属M氧化物粉末中M元素与混合悬液中总的金属元素的原子百分比计，M/(M+Fe)＝0.1～50at.％；然后搅拌加入碱溶液得到混合溶液，该混合溶液进行水热反应，得到含有Fe3O4颗粒的悬浊液，分离出产物Fe3O4。金属M的氧化物为CuO、Cu2O、CoO或Co3O4中的一种或几种的组合。产物可以通过离心、滤膜过滤、磁过滤等方式分离，使用CuO或CuO作为催化剂时，由于其无磁性，使用磁过滤可较方便将其去除。表1给出了实施例1～20和对照例的反应物用量、浓度以及反应条件，其中，各实施例均加入金属M的氧化物粉末作为催化剂，而对照例不添加金属M的氧化物，其余步骤不变。其中，水热反应在反应釜中进行，反应温度为100～200℃，水热反应时间为0.5～48h。实验发现，当反应温度越高，反应时间可适当缩短，金属M的氧化物粉末的添加量也可适当降低。因此，根据预定的反应温度和时间，可调整添加金属M的氧化物粉末催化剂的用量。所述Fe2+溶液可以是氯化亚铁、硫酸亚铁等无机盐及其混合盐，也可使用柠檬酸盐、醋酸盐等有机盐及其混合盐。Fe2+溶液中Fe2+的浓度为0.01～5mol/L。碱溶液可使用NaOH，KOH，LiOH等常见的无机碱，也可使用如氨水以及聚乙烯亚胺(PEI)等有机碱；此外，还可将无机碱与有机碱混合使用，使用PEI时，其既可以作为分散剂以帮助金属氧化物分散在反应体系中，其本身又是碱试剂。碱溶液中OH-的浓度或完全电离的理论浓度为0.2～8mol/L。所有试剂均购自上海阿拉丁生化科技股份有限公司。具体地，以实施例5为例，制备Fe3O4的过程为：反应试剂准备：取0.02mol的FeSO4，溶解在100ml水中，配置0.2M的硫酸亚铁溶液备用；取0.1mol的NaOH，溶解在100ml水中，配置1M的NaOH溶液备用；取CuO粉末备用。制备Fe3O4过程：取20mlFeSO4溶液加入水热反应釜，然后加入0.03mmolCuO粉末，搅拌分散，再边搅拌边滴加10mlNaOH溶液。将水热反应釜封盖，放入恒温烘箱中，于120℃下反应1h，降至室温，得到黑色悬浊液。反应完成后，使用磁性过滤器从上述黑色悬浊液中过滤分离出固体颗粒，洗涤、干燥，得到产物Fe3O4。对照例的实验过程类似，但硫酸亚铁溶液中不添加CuO粉末，加入NaOH溶液后于150℃下反应4h，反应后产物为绿色，在收集过程中产物迅速氧化为橘红色。表1不同实施例和对照例的反应物和反应条件注：*OH-浓度是指碱溶液中已有的OH-、以及潜在的理论上可电离出的OH-的浓度，如氨水溶液中NH3·H2O的浓度。(二)产物表征X射线衍射(XRD)分析、扫描电子显微镜(SEM)分析和能谱分析仪(EDS)元素分析为常见的晶体表征方法，其中，XRD图谱能够反应测试样品的晶体结构，借助扫描电子显微镜(SEM)能够直观观察样品形貌，采用能谱分析仪(EDS)可对样品元素组成含量进行检测。采用上述方法制备得到样品的典型XRD图谱如图1和图2所示。图1为对照例制备得到的样品，由图可知产物基本为FeOOH。根据反应过程中产物颜色变化，推测反应结束生成物为绿色的Fe(OH)2，其在收集过程中迅速氧化为橘红色的FeOOH。图2中分别为采用以下制备方法制备的样品的XRD图谱：(a)实施例8；(b)实施例9(上)和实施例5(下)；(c)实施例10；(d)实施例11。由图谱可知，各工艺条件下均能制备得到Fe3O4晶体。以CuO、Cu2O为催化剂，产物Fe3O4纯度较高。以CoO和Co3O4为催化剂，分离得到的产物中含有微量的不纯物。对照例与实施例制得样品的对比表明，加入少量CuO、Cu2O、CoO或Co3O4粉末进入反应体系，即可改变碱性条件下Fe2+的反应本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用金属氧化物催化制备Fe3O4的方法，其特征在于按以下步骤进行：向Fe

【技术特征摘要】
1.一种利用金属氧化物催化制备Fe3O4的方法，其特征在于按以下步骤进行：向Fe2+溶液中加入金属M氧化物粉末并分散，然后加入碱溶液得到混合溶液，该混合溶液进行水热反应，得到含有Fe3O4颗粒的悬浊液，分离出产物Fe3O4；所述金属M氧化物为CuO、Cu2O、CoO或Co3O4中的至少一种。2.根据权利要求1所述的一种利用金属氧化物催化制备Fe3O4的方法，其特征在于：所述金属M氧化物粉末中M元素与所述混合溶液中金属元素的原子百分比为M/(M+Fe)＝0.1～50at.％。3.根据权利要求2所述的一种利用金属氧化物催化制备Fe3O4的方法，其特征在于：所述金属M氧化物粉末中M元素与所述混合溶液中金属元素的原子百分比为M/(M+Fe)＝1～10at.％。4.根据权利要求1～3任意一项所述的一种利用金属...

【专利技术属性】
技术研发人员：邵斌，杨棋棋，周兴超，熊易，曾文，马毅龙，孙建春，陈登明，郭东林，李春红，
申请(专利权)人：重庆科技学院，
类型：发明
国别省市：重庆,50