阅读说明：本技术 一种β-FeOOH纳米棒及其制备方法 (beta-FeOOH nano rod and preparation method thereof ) 是由 杨冬 *** 高可奕 王雪 王丽霞 贾彤彤 于 2020-06-04 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种β-FeOOH纳米棒及其制备方法,以三氯化铁、聚乙烯亚胺和去离子水为原料,将三氯化铁均匀分散在聚乙烯亚胺水溶液中,油浴加热进行水解反应,产物冷却至室温后经过多次离心水洗,并将沉淀分散于去离子水中,制备的β-FeOOH纳米棒在去离子水中分散性良好,直径约为10-15nm,长度约为35-185nm。本发明制备的β-FeOOH纳米棒在水溶液中可稳定存在,制备工艺简单,原料来源广泛,成本低廉,反应在常压下进行,对反应设备要求较低,操作安全,无毒无害,绿色环保,工艺流程可控性强,产率高,适用于大规模工业化生产。(The invention discloses a beta-FeOOH nano rod and a preparation method thereof, ferric trichloride, polyethyleneimine and deionized water are taken as raw materials, the ferric trichloride is uniformly dispersed in a polyethyleneimine aqueous solution, the mixture is heated in an oil bath for hydrolysis reaction, products are cooled to room temperature and then are subjected to multiple times of centrifugal washing, and precipitates are dispersed in the deionized water, so that the prepared beta-FeOOH nano rod has good dispersibility in the deionized water, the diameter is about 10-15nm, and the length is about 35-185 nm. The beta-FeOOH nano rod prepared by the invention can stably exist in aqueous solution, the preparation process is simple, the raw material source is wide, the cost is low, the reaction is carried out under normal pressure, the requirement on reaction equipment is lower, the operation is safe, the beta-FeOOH nano rod is nontoxic and harmless, the preparation method is green and environment-friendly, the controllability of the process flow is strong, the yield is high, and the preparation method is suitable for large-scale industrial production.)

一种β-FeOOH纳米棒及其制备方法

技术领域

本发明属于无机纳米材料技术领域，涉及一种β-FeOOH纳米棒及其制备方法。

背景技术

β-FeOOH作为一种天然矿物，广泛存在于土壤水体和沉积物中，因其特殊的隧道结构、稳定的理化性质、巨大的比表面积和纳米结构受到广泛关注。作为一种常用的黄色无机染料，它已被应用于水基涂料和油基涂料中，同时它具有特殊的隧道结构，是制备电极材料和阻燃材料的重要原料。由于β-FeOOH的高比表面积、高稳定性和丰富的羟基基团，常被用于处理废水中的金属离子和有机染料的氧化吸附以及光催化剂。除此之外β-FeOOH还是制备磁性材料的重要前驱体之一。

目前已报导的β-FeOOH制备方法很多，如水热法、热分解法、沉淀法、亚铁氧化法、微乳液法、微波水解法等，这些方法大多需要使用复杂昂贵的仪器，制备条件较为严格，制备过程需要在高温情况进行，生产周期相对较长，效率较低，且材料形貌的影响因素较复杂，不利于工业化生产。且制备出来的β-FeOOH分散性较差，且粒子尺寸大，达不到纳米级别，限制了其在生物医学方面的进一步研究。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种β-FeOOH纳米棒及其制备方法，以解决现有的β-FeOOH制备方法条件苛刻、操作复杂且制备的产物难以达到纳米级别的技术问题。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种β-FeOOH纳米棒的制备方法，包括以下步骤：

步骤(1)，将PEI溶液与三氯化铁固体按照100mL：5.4g的投料比进行混合，得到混合溶液；所述的PEI溶液的体积百分数为0.1％～2％；

步骤(2)，将步骤1)的混合溶液进行水解反应；

步骤(3)，将水解反应后的溶液进行离心洗涤处理，收集离心洗涤后的沉淀，将沉淀分散在去离子水溶液中，得到β-FeOOH纳米棒。

优选地，步骤1)所述的三氯化铁为含有六个结晶水的三氯化铁。

优选地，所述PEI的分子量为750000。

进一步优选地，所述PEI溶液以去离子水为溶剂。

优选地，步骤2)中的水解反应温度为80-90℃。

优选地，步骤2)中的水解反应时间为1～2.5h。

优选地，步骤1)的混合和步骤2)的水解反应均是在磁力搅拌的条件下进行的；

进一步优选地，步骤2)所述的水解反应是在恒温油浴反应器中进行的。

优选地，步骤3)中，洗涤是利用去离子水对离心后的沉淀进行3～5次洗涤；洗涤后的沉淀通过超声分解的方法溶解在去离子水中。

本发明还公开了一种β-FeOOH纳米棒。

优选地，所述β-FeOOH纳米棒的长度为35-185nm，直径为10-15nm。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明公开了一种β-FeOOH纳米棒的制备方法，采用了三氯化铁和聚乙烯亚胺(PEI)为原料，通过简单的低温水解法制备得到β-FeOOH纳米棒，该β-FeOOH纳米棒在水中分散性良好，性质稳定，形貌均一，长径比可调。该制备方法采用一步法合成，工艺简单，操作方便，原料来源广泛，成本低，对设备要求不高，反应条件温和，绿色环保，有利于大规模工业化生产。

本发明的制备方法中，采用了简单的加热水解法制备出分散性良好的β-FeOOH纳米棒，使用的原料只有三氯化铁、PEI和去离子水，成本低，无毒无害，绿色环保。在该体系中产物β-FeOOH纳米棒的形貌主要受PEI用量的影响，制备过程可控性强。反应过程中溶解和反应的温度相对较低且在常压下进行，因此对设备要求不高，安全可靠，有利于大规模生产。产物的分离过程采用离心的方法，收率高，工艺简单，无需复杂仪器，有效的降低了制备成本。此外，制备得到的β-FeOOH纳米棒具有更高的比表面积，在吸附、催化等方面均有较大的优势。

进一步地，利用去离子水配制体积浓度为0.1％～2％的PEI水溶液，PEI在反应过程中起到一种软模板的作用，PEI会优先吸附在β-FeOOH种子的高能面上，为保证热力学稳定，粒子倾向于沿着一定方向生长从而减少表面自由能，随着PEI的用量增多，PEI在β-FeOOH种子所有面上吸附的机会增多，粒子定向生长的趋势减弱，促使β-FeOOH纳米棒长度逐渐变短，长径比降低。

进一步地，水解反应的温度为80-90℃，反应时间为1～2.5h，即能够通过简单的实验装置实现水解反应的目的，制备过程简单，成本较低，实用性强，有助于实现大规模工业化生产。

本发明公开了一种β-FeOOH纳米棒，是基于上述制备方法得到的，该β-FeOOH纳米棒的长度为35-185nm，直径为10-15nm。通过本发明制备方法得到的β-FeOOH纳米棒相比现有的FeOOH粒子，具有更好的分散性和形貌可调性，且其纳米级别的尺寸更有利于在生物医学方面的应用和研究。

附图说明

图1为实施例1制备的β-FeOOH纳米棒的透射电镜图；

图2为实施例2制备的β-FeOOH纳米棒的透射电镜图，图中标尺大小为200nm；

图3为实施例2制备的β-FeOOH纳米棒的透射电镜图，其中图中标尺大小为100nm；

图4为实施例4制备的β-FeOOH纳米棒的水合粒径分布图；

图5为实施例5制备的β-FeOOH纳米棒的水合粒径分布图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

实施例1

(1)将0.5mL PEI(聚乙烯亚胺)溶解于100mL去离子水，并向其中加入5.4g(20mmol)的含六个结晶水的三氯化铁，磁力搅拌下形成均匀的混合溶液，该混合溶液为橙红色。

(2)将步骤1)的混合溶液置于80℃的恒温油浴反应器中，磁力搅拌下，水解反应2h。

(3)将水解反应后的液体进行离心，并用去离子水洗涤3次，收集离心洗涤后的黄色沉淀，并将沉淀超声分散在去离子水中，得到β-FeOOH纳米棒。

对本实施例制备的β-FeOOH纳米棒进行形貌表征，其透射电镜结果如图1所示，从图1可以看出，β-FeOOH纳米棒的平均直径约为10nm，长度为70±5nm。

实施例2

(1)将0.3mL PEI溶解于100mL去离子水中，并向其中加入5.4g(20mmol)含六个结晶水的三氯化铁，磁力搅拌形成均匀的混合溶液，该混合溶液为橙红色。

(2)将步骤1)的混合溶液置于80℃的恒温油浴反应器中，磁力搅拌下水解反应2.5h。

(3)将水解反应后的液体离心，并用去离子水洗涤3次，收集离心洗涤后的黄色沉淀，并将黄色沉淀超声分散在去离子水溶液中，得到β-FeOOH纳米棒。

对本实施例制备的β-FeOOH纳米棒进行形貌表征，透射电镜结果如图2和图3所示，图2的标尺为200nm，图3的标尺为100nm，从图2和图3可以看出，β-FeOOH纳米棒的平均直径约为12nm，长度为90±5nm。由于反应时间增加，粒子生长过程延长，β-FeOOH纳米棒的长度略有增加。

实施例3

(1)将1.0mL PEI溶于100mL去离子水，并向其中加入5.4g(20mmol)含六个结晶水的三氯化铁，磁力搅拌形成均匀的混合溶液，该混合溶液为橙红色。

(2)将步骤1)的混合溶液置于85℃的恒温油浴反应器中，磁力搅拌下水解反应2h。

(3)将水解反应后的液体离心，并用去离子水洗涤4次，收集离心洗涤后的黄色沉淀，并该黄色沉淀超声分散在去离子水溶液中，得到β-FeOOH纳米棒。

对该实施例得到的β-FeOOH纳米棒进行透射电镜表征，结果为：该β-FeOOH纳米棒的直径约为10nm，长度为50±5nm。

实施例4

(1)将0.1mL PEI溶解于100mL去离子水，并向其中加入5.4g(20mmol)含六个结晶水的三氯化铁，磁力搅拌形成均匀的混合溶液，该混合溶液为橙红色。

(2)将步骤1)的混合溶液置于90℃恒温油浴反应器中，磁力搅拌下水解反应1h。

(3)将水解反应后的液体离心，并用去离子水洗涤4次，收集离心洗涤后的黄色沉淀，并将该沉淀超声分散在去离子水溶液中，得到β-FeOOH纳米棒。

对该实施例得到的β-FeOOH纳米棒进行透射电镜表征，结果为：该β-FeOOH纳米棒的直径约为10nm，长度为180±5nm。

利用激光粒度仪对本实施例制备的β-FeOOH纳米棒进行水合粒径分析检测，结果如图4所示，结果表明本实施例制备的β-FeOOH纳米棒的平均粒径为180.7nm。

实施例5

(1)将2mL PEI溶解于100mL去离子水，并向其中加入5.4g(20mmol)含六个结晶水的三氯化铁，磁力搅拌形成均匀的混合溶液，该混合溶液为橙红色。

(2)将步骤1)的混合溶液置于80℃的恒温油浴反应器中，磁力搅拌下水解反应2h。

(3)将水解反应后的液体离心，并用去离子水洗涤5次，收集离心洗涤后的黄色沉淀，并将沉淀超声分散在去离子水溶液中，得到β-FeOOH纳米棒。

对该实施例得到的β-FeOOH纳米棒进行透射电镜表征，结果为：该β-FeOOH纳米棒的直径约为10nm，长度为30±5nm nm。

利用激光粒度仪对本实施例制备的β-FeOOH纳米棒进行水合粒径分析检测，结果如图5所示，结果表明本实施例制备的β-FeOOH纳米棒的平均粒径为35.86nm。

在本发明的实施例中，使用的PEI的分子量为750000。

综上所述，本发明制备方法可以在温和的条件下制备形貌可控、直径基本不变、长度可调的β-FeOOH纳米棒。在这个过程中，β-FeOOH纳米棒的直径不会发生明显变化，体系的主要影响因素是PEI的浓度，随着PEI用量的增加，β-FeOOH纳米棒的长度逐渐减小，长径比也随之减小。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。