有层次结构的纳米铁立方体和纳米铁花状结构的制备方法

摘要

一种有层次结构的纳米铁立方体和纳米铁花状结构的制备方法，具体作法是：取不锈钢片和钛片、不锈钢片和钛片的面积比为2.5∶1，依次用400，600，800目砂纸抛光，清洗3-5次；超声30分钟，取出备用；配置含450g/L的FeCl

说明书

技术领域

本发明涉及一种铁纳米立方体和纳米铁花状结构的制备方法。

背景技术

铁是地球上丰度排名第四的元素，是人类的生产和生活中用量最大和应用 最广的金属。纳米材料具有独特的小尺寸效应、量子尺寸效应、大的比表面积 等特点，具有常规材料不具备的光学性能、吸附性能，电磁学性能、降解性能 等特性。铁电负性较大，具有较强的还原性.纳米铁颗粒不仅具有铁的特性， 更因其粒子的直径变小，颗粒的比表面积和表面能也迅速增大，从而具有优越 的吸附性能和很高的还原活性。利用纳米颗粒特有的表面效应和量子尺寸效应， 可以提高铁颗粒的反应活性和处理效率。

纳米铁因兼有纳米颗粒与铁的特有催化、磁等物理特性，在高密度记录材 料、磁性液体材料、催化剂(氨合成)、电导体及电磁波吸收材料、磁流变液、 巨磁致电阻抗材料、生物医学载体、耐腐蚀涂料、环境保护等方面有着重要的 应用前景。

然而，正是由于铁纳米颗粒的表面活性很高，极易氧化和聚集，在制备工 艺上受到一些限制。目前制备方法分为直接法和间接法。直接法法主要有激光 溅射法、电弧法、辐射还原法和球磨法等方法；间接法一般先制备其易分解的 铁碳酸盐、草酸盐或氧化物等前体形式，再还原为纳米铁。这些方法工艺复杂， 对设备要求高，制得的铁纳米粒子形状单一，通常为球形，比表面积小，活性 差，同时对形貌的可控性差。

发明内容

本发明目的就是提供一种有层次结构的纳米铁立方体和纳米铁花状结构的 制备方法，该方法制得的纳米铁为立方体及花状结构，其比表面积大，活性好， 且其设备简单，能耗低，适合大规模生产。

本发明实现其发明的目所采用的技术方案是，一种有层次结构的纳米铁立方 体和纳米铁花状结构的制备方法，其具体作法是：

a、处理金属基片

取不锈钢片和钛片、不锈钢片和钛片的面积比为2.5∶1，依次用400，600，800 目的砂纸抛光，再用去离子水和无水乙醇循环清洗3-5次；然后放在无水乙醇 中超声30分钟，取出备用；

b、配置电镀液

配置电镀液，电镀液中含有：450g/L的FeCl₂，抗环血酸1.4g/L，氟化铵 0.8g/L，复合氨基酸0.7g/L，柠檬酸0.086g/L；0.05mol/L的盐酸；

c、电镀

以a步处理后的钛片做阴极，不锈钢片做阳极，进行0.1A的恒电流电镀， 电镀时间为3-60s；电镀完后，将钛片取出，即在钛片上获得了纳米铁立方体或 纳米铁花状结构。

本发明方法可能的机理是：

在直流电的作用下，铁从FeCl₂溶液的水溶液中沉积出来，在阴极(钛片) 上得到电子，发生还原反应，使钛片上覆盖上铁，其反应式为：Fe²⁺+2e^-＝Fe； 由于稳定剂：抗环血酸1.4g/L，氟化铵0.8g/L，复合氨基酸0.7g/L，的加入，调 控了晶体生长的方式，使其短时间内在钛片上沉积出具有特殊层状结构的纳米 铁立方体，而在长时间内则在铁立方体的基础上发散生长成花状结构。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

制得的纳米铁为立方体及花状结构，其比表面积大，活性好。采用电镀方法、 装置简单、原料易得，操作简单方便。

实验证明，可以通过电镀时间控制纳米铁的表面形态，电镀时间3-5秒内可 获得纳米铁立方体。6-20秒可获得铁立方体和铁纳米花状结构的混合物，30-60 秒可获得铁纳米花状结构。因此，可通过对电镀时间的控制，方便的实现对制 得物的形貌的调控。

下面结合附图和具体的实施方式，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

图1是本发明实施例一制备的纳米铁立方体(电镀时间3s)的X射线衍射图 (XRD)。

图2是本发明实施例一制备的纳米铁立方体(电镀时间3s)的低倍扫描电镜 照片。

图3是本发明实施例一制备的纳米铁立方体(电镀时间3s)的高倍扫描电镜 照片。

图4是本发明实施例二制备的纳米铁立方体(电镀时间5s)的低倍扫描电镜 照片。

图5是本发明实施例二制备的纳米铁立方体(电镀时间5s)的高倍扫描电镜 照片。

图6是本发明实施例三制备的纳米铁立方体和纳米铁花状结构(电镀时间 10s)的扫描电镜照片。

图7是本发明实施例四制备的纳米铁立方体和纳米铁花状结构(电镀时间 20s)的扫描电镜照片。

图8是本发明实施例五制备的纳米铁花状结构(电镀时间30s)的扫描电镜照 片。

图9是本发明实施例五制备的纳米铁花状结构(电镀时间30s)的X射线衍射 图(XRD)。

图10是本发明实施例六制备的纳米铁花状结构(电镀时间40s)的扫描电镜 照片。

图11是本发明实施例七制备的纳米铁花状结构(电镀时间60s)的扫描电镜 照片。

具体实施方式

实施例一

本发明的一种具体实施方式为：一种有层次结构的纳米铁立方体和纳米铁花 状结构的制备方法，其具体作法是：

a、处理金属基片

取不锈钢片和钛片、不锈钢片和钛片的面积比为2.5∶1，依次用400，600，800 目的砂纸抛光，再用去离子水和无水乙醇循环清洗3次；然后放在无水乙醇中 超声30分钟，取出备用；

b、配置电镀液

配置电镀液，电镀液中含有：450g/L的FeCl₂，抗环血酸1.4g/L，氟化铵 0.8g/L，复合氨基酸0.7g/L，柠檬酸0.086g/L；0.05mol/L的盐酸；

c、电镀

以a步处理后的钛片做阴极，不锈钢片做阳极，进行0.1A的恒电流电镀， 电镀时间为3s；电镀完后，将钛片取出，即在钛片上获得了纳米铁立方体或纳 米铁花状结构。

图1是实施例一制备的纳米铁立方体(电镀时间3s)的X射线衍射图(XRD)。 说明在钛片上镀上了铁，这一结果与钛片上反应的原理是一致的，即Fe²⁺+2e^-＝ Fe。图2是实施例一制备的纳米铁立方体(电镀时间3s)的扫描电镜照片(低 倍)，可以看见纳米铁立方体，尺寸在200-300nm之间。图3是实施例一制备的 纳米铁立方体(电镀时间3s)的扫描电镜照片(高倍)，可以明显的看出立方 体的表面具有层状结构，因此可以说明我们再钛上获得了分散性好的具有层状 结构的纳米铁立方体。

实施例二

本例的具体作法是：

a、处理金属基片

取不锈钢片和钛片、不锈钢片和钛片的面积比为2.5∶1，依次用400，600，800 目的砂纸抛光，再用去离子水和无水乙醇循环清洗4次；然后放在无水乙醇中 超声30分钟，取出备用；

b、配置电镀液

配置电镀液，电镀液中含有：450g/L的FeCl₂，抗环血酸1.4g/L，氟化铵 0.8g/L，复合氨基酸0.7g/L，柠檬酸0.086g/L；0.05mol/L的盐酸；

c、电镀

以a步处理后的钛片做阴极，不锈钢片做阳极，进行0.1A的恒电流电镀，电 镀时间为5s；电镀完后，将钛片取出，即在钛片上获得了纳米铁立方体或纳米 铁花状结构。

图4是实施例二制备的纳米铁立方体(电镀时间5s)的扫描电镜照片(低倍)。 图5是实施例二制备的纳米铁立方体(电镀时间5s)的扫描电镜照片(高倍)。 从这两个图可以看出在电镀时间5s时，获得的同样是具有层次结构的纳米铁立 方体。

实施例三

本例的具体作法是：

a、处理金属基片

取不锈钢片和钛片、不锈钢片和钛片的面积比为2.5∶1，依次用400，600，800 目的砂纸抛光，再用去离子水和无水乙醇循环清洗5次；然后放在无水乙醇中 超声30分钟，取出备用；

b、配置电镀液

配置电镀液，电镀液中含有：450g/L的FeCl₂，抗环血酸1.4g/L，氟化铵 0.8g/L，复合氨基酸0.7g/L，柠檬酸0.086g/L；0.05mol/L的盐酸；

c、电镀

以a步处理后的钛片做阴极，不锈钢片做阳极，进行0.1A的恒电流电镀，电 镀时间为10s；电镀完后，将钛片取出，即在钛片上获得了纳米铁立方体或纳米 铁花状结构。

图6是实施例三制备的纳米铁立方体和纳米铁花状结构(电镀时间10s)的扫 描电镜照片，可以看出这时候开始大量出现纳米铁花状结构，主要是由于铁沉 积在纳米铁立方体上进而形成花状结构。

实施例四

本例的具体作法是：

a、处理金属基片

取不锈钢片和钛片、不锈钢片和钛片的面积比为2.5∶1，依次用400，600，800 目的砂纸抛光，再用去离子水和无水乙醇循环清洗4次；然后放在无水乙醇中 超声30分钟，取出备用；

b、配置电镀液

配置电镀液，电镀液中含有：450g/L的FeCl₂，抗环血酸1.4g/L，氟化铵 0.8g/L，复合氨基酸0.7g/L，柠檬酸0.086g/L；0.05mol/L的盐酸；

c、电镀

以a步处理后的钛片做阴极，不锈钢片做阳极，进行0.1A的恒电流电镀，电 镀时间为20s；电镀完后，将钛片取出，即在钛片上获得了纳米铁立方体或纳米 铁花状结构。

图7是实施例四制备的纳米铁立方体和纳米铁花状结构(电镀时间20s)的扫 描电镜照片，可以看出这时候开始大量出现纳米铁花状结构，主要是由于铁沉 积在纳米铁立方体上进而形成花状结构。

实施例五

本例的具体作法是：

a、处理金属基片

取不锈钢片和钛片、不锈钢片和钛片的面积比为2.5∶1，依次用400，600，800 目的砂纸抛光，再用去离子水和无水乙醇循环清洗4次；然后放在无水乙醇中 超声30分钟，取出备用；

b、配置电镀液

配置电镀液，电镀液中含有：450g/L的FeCl₂，抗环血酸1.4g/L，氟化铵 0.8g/L，复合氨基酸0.7g/L，柠檬酸0.086g/L；0.05mol/L的盐酸；

c、电镀

以a步处理后的钛片做阴极，不锈钢片做阳极，进行0.1A的恒电流电镀，电 镀时间为30s；电镀完后，将钛片取出，即在钛片上获得了纳米铁立方体或纳米 铁花状结构。

图8是实施例五制备的纳米铁花状结构(电镀时间30s)的扫描电镜照片。图 9是实施例五制备的纳米铁花状结构(电镀时间30s)的X射线衍射图(XRD)， 从这两个图可以看出电镀时间30s时，获得的主要是纳米铁花状结构，图9可以 证明花状结构为铁。

实施例六

本例的具体作法是：

a、处理金属基片

取不锈钢片和钛片、不锈钢片和钛片的面积比为2.5∶1，依次用400，600，800 目的砂纸抛光，再用去离子水和无水乙醇循环清洗3次；然后放在无水乙醇中 超声30分钟，取出备用；

b、配置电镀液

配置电镀液，电镀液中含有：450g/L的FeCl₂，抗环血酸1.4g/L，氟化铵 0.8g/L，复合氨基酸0.7g/L，柠檬酸0.086g/L；0.05mol/L的盐酸；

c、电镀

以a步处理后的钛片做阴极，不锈钢片做阳极，进行0.1A的恒电流电镀，电 镀时间为40s；电镀完后，将钛片取出，即在钛片上获得了纳米铁立方体或纳米 铁花状结构。

图10是实施例六制备的纳米铁花状结构(电镀时间40s)的扫描电镜照片。 当进一步增加电镀时间时，从图10可以看出得到的主要是纳米铁花状结构。

实施例七

本例的具体作法是：

a、处理金属基片

取不锈钢片和钛片、不锈钢片和钛片的面积比为2.5∶1，依次用400，600，800 目的砂纸抛光，再用去离子水和无水乙醇循环清洗5次；然后放在无水乙醇中 超声30分钟，取出备用；

b、配置电镀液

配置电镀液，电镀液中含有：450g/L的FeCl₂，抗环血酸1.4g/L，氟化铵 0.8g/L，复合氨基酸0.7g/L，柠檬酸0.086g/L；0.05mol/L的盐酸；

c、电镀

以a步处理后的钛片做阴极，不锈钢片做阳极，进行0.1A的恒电流电镀，电 镀时间为60s；电镀完后，将钛片取出，即在钛片上获得了纳米铁立方体或纳米 铁花状结构。

图11是实施例六制备的纳米铁花状结构(电镀时间60s)的扫描电镜照片。 当进一步增加电镀时间时，从图11可以看出得到的主要是纳米铁花状结构。

因此，从以上实施实例的扫描电镜照片可以看出：电镀时间3-5s获得的是纳 米铁立方体；电镀时间10s获得产物的结构是纳米铁立方体结构和纳米铁花状结 构各占一半，电镀时间20s获得产物的结构主要是纳米铁花状结构，并有少量的 纳米铁立方体结构；电镀时间30-60s获得的是纳米铁花状结构。