[发明专利]一种利用三氯化铁制备零价铁纳米粒子的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种采用化学液相法还原FeCl₃使之变成磁性能卓越化

学活性强的零价铁纳米粒子的方法。

背景技术

零价铁纳米颗粒以其卓越的磁性能及巨大的应用潜力备受瞩目，可广泛用于磁流体制备、磁共振成像、磁性细胞分离、磁存储材料开发、镍-铁电池制造及催化与环境修复等众多领域。特别在环境修复领域，纳米级铁颗粒比毫米微米级铁颗粒处理效率更高，用其处理有机氯化物、重金属离子、染料及硝酸盐等污染物的探索工作已大量展开，为铁纳米颗粒研究注入了强大活力。

当前，已发展出多种物理、化学方法用于零价铁纳米颗粒的制备，主要有高能球磨法、电沉积法、化学气相沉积法、溶胶-凝胶法、共沉淀法、热分解羰基铁法及化学液相还原法等。就效率、复杂程度、成本而言，这些方法互不相同，其中热分解羰基铁法和化学液相还原法是两种广为应用的重要方法。热分解羰基铁法可制得粒径分布均匀的细小高纯铁纳米颗粒，但热能损耗大、原料毒性强、成本高且产量有限不能满足大规模需求，从费用效益角度看存在一定的局限性。比较而言，化学液相还原法更为简便、经济、安全、高效，这种方法通常是在水溶液中利用化学还原剂还原 Fe²⁺或 Fe³⁺来制备零价铁纳米颗粒。

零价铁纳米颗粒磁性能卓越、化学活性强，在催化、吸附、材料开发及环境修复等诸多领域有着广阔的应用前景。利用化学液相还原法制备零价铁纳米颗粒简便、经济、安全、高效，和其它方法相比，具有独特的优越性，制备过程中需解决零价铁纳米颗粒容易团聚和氧化两个关键问题。团聚问题常通过在反应体系中引入稳定剂加以解决，氧化问题常通过在铁纳米颗粒表面形成包覆外壳加以解决。化学液相还原过程中，水合肼、多元醇、碱金属硼氢化物是3种最为常用的还原剂，均可有效还原铁离子制备铁纳米颗粒。

用于分散铁纳米颗粒的稳定剂种类较多，选用无机化学惰性载体作稳定剂可同时实现对铁颗粒的负载，便于铁颗粒的回收、循环利用，使其环境友好性增强。层状硅酸盐黏土矿物（如蒙脱石、高岭石）价格低廉、无毒无害、具有天然微-介孔结构，用作无机稳定剂较为适合，理论研究及实际应用中需深入了解其稳定效果与作用机理。表面自生的铁氧化物层可有效抑制铁纳米颗粒深度氧化，且生成条件简单、成分可调节，用作包覆外壳较为理想，实际应用中铁氧化物包覆层还对颗粒起到修饰作用，研究包覆层结构、性质对颗粒整体性能的影响将是一个重要的发展方向。水合肼、多元醇、碱金属硼氢化物均可有效还原制备零价铁纳米颗粒，为了零价铁纳米颗粒的商业化应用，需结合各类还原剂作用特点注重工艺的放大研究和低成本化研究。值得关注的是，多元醇在反应体系中可同时作为还原剂和金属盐溶剂，并可在一定程度上起到稳定剂作用，这种多功用性使多元醇液相还原制备零价铁纳米颗粒操作较为简便、有望实现工业放大。

发明内容

本发明是为了避免上述技术所存在的不足，采用液相还原法将FeCl₃还原制备成零价铁纳米粒子，该方法具有安全、高效、原料储量丰富、成本低等特点。技术方案如下：

（1）将少量 0.8mol/L FeCl₃·6H₂O 溶液，加入少量淀粉及柠檬酸作为分散剂及络合剂，氮气除氧30 min，搅拌10min，使之充分混合均匀，将NaBH₄溶于去离子水中形成浓度为0.757g/L的水溶液，室温常压电动搅拌下缓慢滴加到FeCl₃溶液中，溶液逐渐变为黑色，滴加完毕后继续反应30min，生成稳定黑色纳米铁颗粒，用去离子水洗涤产品三次，无水乙醇清洗一次，抽滤后真空干燥得到零价铁纳米颗粒（N-Fe⁰）；

（2）选择工业用水处理剂系列、CMC 系列、离子液体系列等多品种改性剂作为N-Fe⁰的表面修饰分散剂，通过对分散剂用量、体系介质、溶液配比等因素考察，确定以PBTCA 和 TH-904作为分散剂对N-Fe⁰进行表面改性修饰，浓度均为 10%，用量分别为0.1mL 和 0.2 mL，进而制备出表面改性后纳米零价铁P-Fe⁰和T-Fe⁰。

本发明利用FeCl₃制备零价铁纳米粒子的特点在于：