论铁氧化物α― FeOOH、α―Fe2O3的合成方法

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【摘 要】本文根据国内外的研究成果，模拟环境中的这些化合物的合成及反应机理，总结了用于纳米水处理材料铁氧化物α- feooh、α-fe2o3的合成方法。

【关键词】α- FeOOH；α-Fe2O3；合成方法；概述

近年来，纳米水处理剂的研究取得了突飞猛进的飞跃。纳米级的铁氧化物由于具有超强的吸附能力、极好的流动稳定性、较低廉的额价格和较成熟的生产工艺等优点、已经成为国际水处理剂的研究热点。

1.铁氧化物的存在及分布

铁是分布最广、最常用的元素之一，它在地壳中质量分数是5.1%，在所有元素中名列第四。铁氧化物在自然界分布广泛，尤其以纳米氧化物存在于土壤、泥沙等载体中。通常，铁的氧化物和羟基氧化物都归属于氧化铁系列化合物。铁氧化物在表生还境中形成的主要矿物有：针铁矿（主要成分是α- FeOOH）、纤铁矿（主要成分是γ- FeOOH）、赤铁矿（主要成分是Fe2O3）、磁铁矿（主要成分是Fe3O4）。在水相沉积物甚至生物体内及体外矿化物中均存在，因此铁氧化合物来源广泛。

2.铁氧化物的制备

2.1 水合氧化铁的制备

制备常见的铁氧化物的通常都先制备无定形氢氧化铁（英文名是ferrihydrite，也被称为水铁矿、羟基氧化铁、水合氧化铁（hydrous ferric oxide，HFO）或是氢氧化铁凝胶。水合氧化铁是普遍存在于土壤，沉积层和岩石中的铁氢氧化物，实验室中很容易合成。由于其介稳的性质，随着时间的推移，水合氧化铁可以转化为热力学更稳定的其他铁氧化物。一般来讲，水合氧化铁可以转化为针铁矿（α-FeOOH），或者是赤铁矿（α-Fe2O3），或是磁铁矿（Fe3O4）。

在实验室中制备出水合氧化铁通常用到的方法是以Fe（Ⅲ）盐为原料，强碱（NaOH或是KOH）为沉淀剂。只要控制好温度，搅拌速度以及体系的pH值就可以得到水合氧化铁。因为即使初始n（Fe3+）：n（OH-）=1：3，得到的也不是Fe（OH）3，而是我们想要的产物水合氧化铁。

2.2 α-FeOOH的制备

针状结构的材料由于具有独特的催化等特性，因而引起了科技工作者的高度重视。针状α-FeOOH材料其本身及作为前驱物不仅在颜料、催化剂、生物医学、环境保护等方面得到了广泛应用，它是一类极具开发前途的纳米结构材料。α-FeOOH晶体结构中，单位晶胞内含2个铁原子，层与层之间以氢键相结合，其结构中存在氢键和分子间作用力，并且由于纳米材料独特的自组现象，使其在多个领域都能发挥作用，成为材料中的新宠。

2.2.1 室温液相中用NaOH为沉淀剂制备α-FeOOH

在少量Fe2+存在的条件下，水合氧化铁向α-FeOOH，γ-FeOOH和α-Fe3O4的转化是很迅速的，但是当Fe2+不存在时，不仅无定形态的FeOOH的转化速率很慢，而且产物中不包含γ-FeOOH。而且刘辉等人研究表明，转化的温度，初始pH值的大小和转化时间对无定形FeOOH的转化速度和转化机理都会有很大的影响。在一个较高的pH值，也就是说从5-9之间更倾向于生成α-FeOOH。

2.2.2 室温液相中用Na2CO3为沉淀剂制备α-FeOOH

反应在水浴环境下进行，以Na2CO3、FeSO4・7H2O为原料，两者按一定比例同时加入到反应容器中，反应体系温度控制在高于室温少许，溶液控制在碱性，用磁搅拌器不断搅拌，当反应进行一段时间后，向体系中加入去离子水，并通入空气进行氧化（空气由无油气体压缩机提供，并控制好反应最适流速）。当所有的Fe2+都被氧化完全后，即反应终止，将溶液静置一段时间后进行抽滤并用去离子水进行洗涤。最后，所得产物为颗粒粒度分布均匀，枝杈少的针状α-FeOOH晶粒。并发现当温度在30～40℃时适宜α-FeOOH生长；初始浓度的不同对针状晶体的生长起到了细化晶体的作用；对晶体颗粒进行陈化处理，有利于晶体颗粒的粒度均匀化、晶体的完整性得到改善。

2.3 α-Fe2O3的制备

α-Fe2O3是一种非常重要的多功能材料，广泛应用于制备优质陶瓷、颜料、催化剂、医药方面等领域。近日一些报道中指出，由于它和TiO2一样有一个较窄的能带带隙，纳米α-Fe2O3颗粒在可见光的长波段表现出很优良的光电化学响应。通过控制颗粒大小和形态是形成α-Fe2O3颗粒结构的重要问题，因为特细的α-Fe2O3颗粒的性质和应用大多取决于颗粒的大小，形状和单分散性。到现在为止已发表的各种制备α-Fe2O3颗粒的方法中有水解Fe（Ⅲ）盐溶液、水解Fe（Ⅲ）凝胶溶液等等。

2.3.1 室温液相法制备纳米α-Fe2O3

由水合氧化铁合成α-Fe2O3是一种操作简单、节能的方法。但如果想要制得颗粒大小均匀并快速，那么最好使先驱物水合氧化铁的结构与α-Fe2O3结构相似，这样水合氧化铁向α-Fe2O3的转化更加快捷而且产率高、能耗少。

在不断均匀搅拌下，将6.0 mol/L NaOH溶液滴加到1.0 mol/L Fe（Ⅲ）盐溶液中直到pH值达到中性，这一过程要在25℃的水浴中进行。当加入少量Fe2+溶液后，如果最后得到的混合液的pH值不是7的话，用稀释的NaOH溶液调到7。所得悬浊液要在一定时间和磁力搅拌下不停搅拌并一直加热以保持均匀的回流冷凝。所得到的最终产物用去离子水清洗并过滤。

所得到的结果是，在微量Fe2+的存在下，可以在很短的时间内，用高浓缩的Fe（OH）3胶体溶液合成出纳米级的赤铁矿（α-Fe2O3）颗粒。通过改变实验条件可以控制α-Fe2O3颗粒的形状。从Fe（OH）3胶体向α-Fe2O3颗粒转化的反应是通过吸附了的Fe2+和表面的Fe3+之间的电子转移发生的。这种方法的优点是反应简单，反应所需要的时间较短，能耗强度较低并且反应的总过程基本上不会产生对环境有害的产物。

3.结论

近年来关于纳米铁氧化物的合成在国内外虽然有不少报道，如微波法、微乳液法、柠檬酸盐高温分解法等。到这些制备方法都存在一定缺陷，其中高温分解法设备复杂，且具有危险性，收集粉末产品也有难度；而微乳液法需要大量溶剂，原料利用率也不高，还会造成环境污染。