固相反应制备纳米氧化铁及其动力学研究

作     者：蒲昭廷 

作者单位：太原理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：米杰

授予年度：2014年

学科分类：07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0702[理学-物理学] 

主      题：室温固相反应 纳米氧化铁 分解动力学 晶粒生长动力学 

摘      要：纳米材料由于其特殊的结构和性质,已被广泛应用于化工、生物、医药、塑料、涂料、陶瓷等行业。超细氧化铁纳米材料是具有粒径小、比表面积大、分散性好、多孔等诸多优点的被普遍应用的一种功能性材料。氧化铁作为活性组分制备的高温煤气脱硫剂被认为是脱硫性能最好的脱硫剂,而脱硫剂活性组分的分散程度直接影响到其脱硫活性。 本论文以Fe(NO3)3·9H2O、FeCl3·6H2O和H2C2O4·2H2O为原料,采用固相化学反应方法合成前驱体铁的草酸化合物,然后加热分解前驱体制得超细纳米铁氧化物。然后将前驱体及纳米铁氧化物作为研究对象,采用X-射线衍射分析、红外光谱、热重-差热等方式进行表征研究。分别对两种前驱体的热分解过程进行了分析,计算其热分解的表观活化能与热分解机理函数。实验还考察了两种前驱体马弗炉焙烧制备纳米氧化铁的晶粒生长动力学。得到以下结论： (1)由Fe(NO3)3·9H2O通过低温固相法制得的前驱体为Fe2(C2O4)3·5H2O,而用FeCl3·6H2O作原料制得的前驱体是FeC2O4·2H2O;(2) Fe(NO3)3·9H2O制得的前驱体Fe2(C2O4)3·5H2O的热分解过程发生了草酸铁还原为草酸亚铁的过程,其分解的最初产物为γ-Fe2O3,但在380℃～400℃之间铁氧化物发生了晶相的转变,γ-Fe2O3转化为α-Fe2O3。用Ozawa法计算得到草酸铁热分解的表观活化能E=136.11KJ/mol,Coats-Redfern法结合Ozawa法确定草酸铁热分解反应机理函数为： G(α)=[-ln(1-α)r, f(α)=2(1-α)[ln(l-α)]1/2;(3)FeCl3·6H2O制得的前驱体FeC2O4·2H2O热分解的产物为γ-Fe2O3,在400℃之前未发现有铁氧化物晶相转变的现象。用Ozawa法计算得到草酸亚铁热分解的表观活化能E=111.40KJ/mol,Coats-Redfern法结合Ozawa法确定草酸亚铁热分解反应机理函数为： G(α)=[-ln(1-α)]2/3, f(α)=3/2(1-α)[-ln(1-α)]1/3. (4)氧化铁的两种前驱体草酸铁和草酸亚铁的热分解机理均为随机成核和随后生长的机理。这意味着该分解反应起始于分散在反应物晶体晶格的缺陷处,当达到一定条件分解产物在前驱体晶相的各处缺陷上形成新核,而未分解的前驱体通过扩散继续在核上反应。这样产物相不断生成而反应物相渐渐消失,直到前驱体分解完全为止;(5)在300℃～700℃范围内,Fe2(C2O4)3·5H2O焙烧制备纳米氧化铁的晶粒生长动力学指数n=18.24,晶粒生长激活能Q=279.46KJ/mol;而FeC2O4·2H20焙烧制备纳米氧化铁晶粒的生长动力学指数n=10.87,激活能Q=50.70KJ/mol;(6)对比马弗炉焙烧温度和焙烧时间的影响,焙烧保温时间对氧化铁纳米晶粒的粒径影响更大,是其最主要是影响因素。而Fe2(C2O4)3·5H2O焙烧制备的氧化铁纳米颗粒粒径更小,分散性更高。