[发明专利]二十四面体氧化铁纳米晶体催化剂、其制备方法及应用

说明书

技术领域

    本发明涉及一种氧化铁纳米晶体催化剂的制备方法及应用，具体是一种二十四面体氧化铁纳米晶体催化剂的制备方法，以及在生物、染料降解，电化学等领域的应用。

背景技术

氧化铁（Fe-₂O₃），作为一种常见的n型掺杂半导体材料，具有无毒、低价、高耐腐蚀性等诸多优点，广泛应用于工业催化、生物气体传感、电极材料等多种领域。如何进一步提高氧化铁纳米材料的催化、传感性能和利用效率是该领域的关键问题。据文献可知，纳米材料活性的提高可通过调节其组成，尤其是改变纳米粒子的形貌结构，即控制纳米粒子的裸露晶面或表面原子排列结构来实现（参见文献：Nano Lett., 2004, 4:1343-1348; 专利：CN 100421787C）。

目前，国内外关于晶面可控的多面体纳米氧化铁的制备及性能表征方面已有较多报道：浙江大学等课题组利用表面活性剂诱导在液相条件下制备了{110}面占优的氧化铁准纳米立方体，材料表现出良好的催化特性（参见专利：CN 103482708 A; 文献：Angew. Chem., Int. Ed., 2010, 49: 6328-6332; Cryst. Growth Des., 2008, 8: 1372-1376）；新加坡A*STAR等课题组利用F^-诱导法制备了{113}面为主导的六角双锥结构的十二面体、十八面体氧化铁纳米粒子，并对其生长机制进行了系统研究（参见文献：J. Phys. Chem. C, 2014, 118: 10903-10910; Adv. Funct. Mater., 2010, 20: 3987-3996）；中科院化学所等相关课题组利用燃烧合成法制备了氧化铁二十六面体纳米颗粒，该颗粒由{100}、{111}和{110}面构成，具有良好的催化性能（参见文献：ACS Nano, 2009, 3: 1775-1780）。从文献报道来看，现有的纳米氧化铁多面体晶体多以{110}、{111}等低指数面为裸露表面。单晶模型电催化的基础研究表明，高指数晶面的催化活性和稳定性明显优于低指数晶面（参见文献：Nature, 1975, 258: 580-583）。然而在纳米晶体制备过程中，由于高指数晶面的生长速度往往远快于低指数面而最终趋于消失，因此具有高指数晶面结构的纳米氧化铁晶体往往较难制备。截止目前，尚未见到有关氧化铁二十四面体纳米晶体的报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种二十四面体氧化铁纳米晶体催化剂及其制备方法；提供有关氧化铁二十四面体纳米晶体催化剂在生物、染料降解，电化学等领域的应用。

本发明所述的二十四面体氧化铁纳米晶体催化剂，其形状为二十四面体，二十四面体的表面由指数为{110}，{113}以及{104}的高指数晶面构成。具体包括6个{110}，6个{104}以及12个{113}高指数晶面。

本发明所述的二十四面体氧化铁纳米晶体催化剂的制备方法是通过以下技术方案实现的：

一种二十四面体氧化铁纳米晶体催化剂的制备方法，包括如下步骤：（1）称取三价铁盐以及磷酸二氢盐，混合加入去离子水中，搅拌至完全溶解，获得前驱体溶液；所述的前驱体溶液中磷酸根离子与三价铁离子的摩尔比为0.1～2:100，去离子水的质量约为三价铁盐以及磷酸二氢盐总质量的210～310倍；（2）将前驱体溶液放置反应釜中，加热至180～250℃，保温4～24h；冷却至室温，将所得的产物加入去离子水和酒精，充分振荡，离心，去上清液，将内容物移至电热真空干燥箱内，干燥直至恒重，获得直径约110 nm，长度110～260nm的氧化铁二十四面体纳米晶体催化剂。

理论上采用任意的三价铁盐均可，但实验室常见的三价铁盐有氯化铁、硝酸铁、硫酸铁，上述三价铁盐具有取材容易、成本合理的特点。

理论上采用任意的磷酸二氢盐均可，但实验室常见的磷酸二氢盐有磷酸二氢钠、磷酸二氢钾、磷酸二氢铵，上述磷酸二氢盐具有取材容易、成本合理的特点。

本发明中步骤（2）中产物中去离子水和酒精的加入主要是对产物进行清洗的作用，因此，去离子水和酒精加入量的控制是本领域技术人员容易实现的。

本发明中步骤（2）中，所述的内容物为带有残留液的沉淀物。