一种可用于NOx高效催化转化的γ-Fe2O3纳米粉末及其制备方法

摘要

一种可用于NOx高效催化的γ‑Fe2O3纳米粉末及其制备方法，属于环保型环境催化净化材料的制备技术领域。该纳米粉末由γ相的Fe2O3粒子组成，该粒子的尺寸范围为23‑98nm。制备过程如下：以纯铁丝为原料，除去纯铁丝表面杂质，后分别用丙酮、乙醇洗涤；后将铁丝剪成小段后放入80mL溶液(含有40‑60g NaOH)；然后于230‑265℃下水热反应20‑36h；反应液冷却至室温，后往体系中缓慢加入去离子水并搅拌超声，用磁铁吸引产物粉末，辅助分离除去其他杂质，后过滤、洗涤、干燥；再在400℃煅烧4‑8小时，后自然降温到室温。该纳米粉末制备成本低，处理过程无污染，不需昂贵仪器设备，在NOx高效催化方面尤其是汽车尾气催化净化方面具有较好前景。

权利要求

1.一种用于NOx高效催化转化的γ-Fe2O3纳米粉末的制备方法，其特征在于反应步骤如下：除去纯铁丝表面铁锈和杂质，后分别用丙酮、乙醇洗涤；然后将上述处理得到的铁丝剪成2cm长的小段后放入80mL溶液中，该溶液含有40-60g NaOH，然后将铁丝及溶液于230-265℃条件下水热反应20-36h；

反应液冷却至室温，后往反应液体系中缓慢加入去离子水并搅拌2-5小时，超声10-

15h，用磁铁吸引产物粉末，辅助分离除去其他少量杂质，后过滤；得到的产物分别用无水酒精和去离子水洗涤，最后洗涤产物在50-80℃下进行干燥24-48小时，得到的干燥产物再在

400℃煅烧4-8小时，后自然降温到室温，即可得到用于NOx高效催化转化的γ-Fe2O3纳米粉末。

说明书

一种可用于NOx高效催化转化的γ-Fe2O3纳米粉末及其制备

方法

技术领域

[0001] 本发明属于纳米催化材料领域制备技术领域，具体涉及一种可用于NOx尤其是汽车尾气中氮氧化物高效催化的纳米粉末及其制备方法。

背景技术

[0002] 目前已有较多的纳米材料用于汽车尾气的催化净化领域，使尾气中NOx通过催化转化，从而无害化排放。纳米氧化铁具有较高的比表面积，良好的耐候性，能用于催化剂、生物医学材料和磁性材料领域。氧化铁纳米粉体通过烧结后，催化性能得到一定提升，可用于汽车尾气净化催化剂领域。

[0003] 目前已有较多纳米粉末应用于NOx的催化转化，尤其是贵金属的氧化物纳米材料。但该类材料往往制备技术复杂、条件苛刻、原料昂贵，所以需要开发一种新型的制备方法。
γ-Fe2O3纳米氧化铁粉末具有高比表面积、较多的表面反应位点，已广泛应用于生物医疗、环境催化、磁性材料领域，γ-Fe2O3纳米粉末制备简便、成本低，可应用于NOx的催化转化，在汽车尾气的催化净化领域有望发挥巨大价值。

[0004] 纳米粉末γ-Fe2O3制备方法主要有胶体化学法、气相沉积法、水热法、固相化学反应法、热分解法、氧化沉淀法等。以上γ-Fe2O3纳米粉末的制备方法还存在诸多不足，如制备步骤繁琐、成本较高、原料利用率低等问题。本制备方法以铁丝为反应原料，在NaOH溶液中通过水热反应制备得到，反应步骤简便、不需要复杂设备、成本低廉、易批量生产，在汽车尾气的氮氧化物催化净化方面将具有较大的市场价值。通过本方法制备的γ-Fe2O3纳米粉末对NOx具有高效催化转化性能，在400℃的催化转化率最高接近95％。

发明内容

[0005] 本发明的目的是提供一种可用于汽车尾气氮氧化物NOx催化的环保纳米材料γ-Fe2O3粉末及其制备方法。本发明所述的γ-Fe2O3粉末由铁丝在230～265℃的水热反应下进行制备，通过调节反应温度、反应时间、溶剂比例、后处理煅烧过程来调节纳米微粒的粒径，进而调变催化性能。以上纳米微粒的组成为γ相的Fe2O3。

[0006] 本发明的目的是提供一种可用于汽车尾气氮氧化物NOx催化的环保纳米材料及其制备方法。

[0007] 本发明所述的环保纳米材料具有如下特点：制备简单，无需昂贵设备，原料廉价，处理过程绿色环保，很有应用前景，并可应用于汽车尾气中氮氧化物NOx催化处理。

[0008] 所述铁丝，为纯铁，按质量百分数计，含Fe：99.95％，0

[0009] 本发明所述的一种可用于NOx高效催化转化的γ-Fe2O3纳米粉体的制备方法，其步骤如下：

[0010] (1)除去纯铁丝(直径0.5～2.8mm，质量4～9克)表面铁锈和杂质，后分别用丙酮、乙醇洗涤；

[0011] (2)将步骤(1)处理得到的铁丝剪成2cm长的小段后放入80mL溶液中，该溶液含有40-60g NaOH；

[0012] (3)将步骤(2)得到的铁丝及混合溶液于230-265℃条件下水热反应20-36h；

[0013] (4)将步骤(3)得到的反应液冷却至室温，后往体系中缓慢加入去离子水并搅拌2-5小时，超声10-15h，用磁铁吸引产物粉末，辅助分离除去其他少量杂质，后过滤；

[0014] (5)将步骤(4)得到的产物分别用无水酒精和去离子水洗涤，最后洗涤产物在50-80℃下进行干燥24-48小时。

[0015] (6)将步骤(5)得到的干燥产物再在400℃煅烧4-8小时，后自然降温到室温。

[0016] 该γ-Fe2O3粉末可以通过调节反应温度、反应时间、溶液浓度、后处理煅烧过程来调节纳米微粒的粒径，进而获得对NOx具有高效催化性能的γ-Fe2O3纳米粉末。

[0017] 所述的对NOx具有高效催化性能的γ-Fe2O3纳米粉末是由纯铁丝在230～265℃的水热反应下进行制备的，该材料的催化来自于该γ-Fe2O3纳米微粒具有的小尺寸效应和表面效应，使该粉末材料具有丰富的孔隙结构、较大的比表面积、丰富的表面晶格氧。

[0018] 本发明的γ-Fe2O3纳米粉末有以下几个优点：

[0019] 该纳米粉末的制备成本低廉，原料来源广泛，处理过程绿色无污染，不需要昂贵的仪器设备，在NOx高效催化方面尤其是汽车尾气催化净化方面具有较好的市场前景。

附图说明

[0020] 图1：可用于NOx高效催化转化的γ-Fe2O3粉体能谱图。从能谱图可得知该纳米粉体的Fe元素与O元素的摩尔数比分别为39.1％和59.4％，在误差范围内该比例能说明所得纳米粉体材料为γ-Fe2O3。图1对应实施例1的能谱图，其他实施例的纳米粉末的能谱图与实施例1相类似。

[0021] 图2：可用于NOx高效催化转化的γ-Fe2O3粉体的XRD图。所得的γ-Fe2O3纳米粉末的XRD峰与粉末衍射标准联合委员会(JCPDS)中γ-Fe2O3的卡片吻合，所测样品谱图中主要的晶格衍射峰均与标准γ-Fe2O3特征峰相符合，证明所制备的材料为γ相的Fe2O3。图2对应实施例1的XRD图，其他实施例的纳米粉末的XRD图与实施例1相类似。

[0022] 图3：原料在不同反应溶液浓度、反应温度下水热反应所得产物，再经400℃煅烧最终所获得的纳米粉末γ-Fe2O3的SEM图(见实施例1-4)。样品a(图a，实施例1)：250℃，NaOH(40g)，24h；样品b(图b，实施例2)：250℃，NaOH(48g)，36h；样品c(图c，实施例3)：260℃，NaOH(40g)，24h；样品d(图d，实施例4)：260℃，NaOH(48g)，36h。由图3可以看出该纳米材料粉末γ-Fe2O3的尺寸主要分布在23～98nm间。

[0023] 图4～7：原料在不同反应溶液浓度、反应温度下水热反应所得产物，再经400℃煅烧最终所获得的纳米粉末γ-Fe2O3的NOx催化转化率折点图(见实施例1-4)。样品a(图4，实施例1)：250℃，NaOH(40g)，24h；样品b(图5，

[0024] 实施例2)：250℃，NaOH(48g)，36h；样品c(图6，实施例3)：260℃，NaOH(40g)，24h；样品d(图7，实施例4)：260℃，NaOH(48g)，36h。样品a到样品d在400℃的NOx催化转化率分别为91.8％、92.6％、93.9％和94.3％。

具体实施方式

[0025] 实施例1：可用于NOx高效催化转化的γ-Fe2O3粉体的制备：

[0026] (1)除去纯铁丝(直径0.5mm，质量4克)表面铁锈和杂质，后分别用丙酮、乙醇洗涤；

[0027] (2)将步骤(1)处理得到的铁丝剪成2cm长的小段后放入80mL溶液中，该溶液含有40g NaOH；

[0028] (3)将步骤(2)得到的铁丝及混合溶液于250℃条件下水热反应24h；

[0029] (4)将步骤(3)得到的反应液冷却至室温，后往体系中缓慢加入去离子水并搅拌2小时，超声15h，用磁铁吸引产物粉末，辅助分离除去其他少量杂质，后过滤；

[0030] (5)将步骤(4)得到的产物分别用无水酒精和去离子水洗涤，最后洗涤产物在80℃下进行干燥24小时。

[0031] (6)将步骤(5)得到的干燥产物再在400℃煅烧8小时，后自然降温到室温。

[0032] 所得γ-Fe2O3粉体有部分团聚，纳米粒子的尺寸主要分布在85-25nm，经测试其在400℃的NOx催化转化率为91.8％。

[0033] 实施例2：可用于NOx高效催化转化的γ-Fe2O3粉体的制备：

[0034] (1)除去纯铁丝(直径1.3mm，质量4.4克)表面铁锈和杂质，后分别用丙酮、乙醇洗涤；

[0035] (2)将步骤(1)处理得到的铁丝剪成2cm长的小段后放入80mL溶液中，该溶液含有48g NaOH；

[0036] (3)将步骤(2)得到的铁丝及混合溶液于250℃条件下水热反应36h；

[0037] (4)将步骤(3)得到的反应液冷却至室温，后往体系中缓慢加入去离子水并搅拌5小时，超声10h，用磁铁吸引产物粉末，辅助分离除去其他少量杂质，后过滤；

[0038] (5)将步骤(4)得到的产物分别用无水酒精和去离子水洗涤，最后洗涤产物在50℃下进行干燥48小时。

[0039] (6)将步骤(5)得到的干燥产物再在400℃煅烧4小时，后自然降温到室温。

[0040] 所得γ-Fe2O3粉体有部分团聚，纳米粒子的尺寸主要分布在55-27nm，经测试其在400℃的NOx催化转化率为92.6％。

[0041] 实施例3：可用于NOx高效催化转化的γ-Fe2O3粉体的制备：

[0042] (1)除去纯铁丝(直径2.8mm，质量4.6克)表面铁锈和杂质，后分别用丙酮、乙醇洗涤；

[0043] (2)将步骤(1)处理得到的铁丝剪成2cm长的小段后放入80mL溶液中，该溶液含有40g NaOH；

[0044] (3)将步骤(2)得到的铁丝及混合溶液于260℃条件下水热反应24h；

[0045] (4)将步骤(3)得到的反应液冷却至室温，后往体系中缓慢加入去离子水并搅拌5小时，超声10h，用磁铁吸引产物粉末，辅助分离除去其他少量杂质，后过滤；

[0046] (5)将步骤(4)得到的产物分别用无水酒精和去离子水洗涤，最后洗涤产物在80℃下进行干燥24小时。

[0047] (6)将步骤(5)得到的干燥产物再在400℃煅烧8小时，后自然降温到室温。

[0048] 所得γ-Fe2O3粉体有部分团聚，纳米粒子的尺寸主要分布在62-33nm，经测试其在400℃的NOx催化转化率为93.9％。

[0049] 实施例4：可用于NOx高效催化转化的γ-Fe2O3粉体的制备：

[0050] (1)除去纯铁丝(直径1.6mm，质量4.7克)表面铁锈和杂质，后分别用丙酮、乙醇洗涤；

[0051] (2)将步骤(1)处理得到的铁丝剪成2cm长的小段后放入80mL溶液中，该溶液含有48g NaOH；

[0052] (3)将步骤(2)得到的铁丝及混合溶液于260℃条件下水热反应36h；

[0053] (4)将步骤(3)得到的反应液冷却至室温，后往体系中缓慢加入去离子水并搅拌5小时，超声15h，用磁铁吸引产物粉末，辅助分离除去其他少量杂质，后过滤；

[0054] (5)将步骤(4)得到的产物分别用无水酒精和去离子水洗涤，最后洗涤产物在50℃下进行干燥48小时。

[0055] (6)将步骤(5)得到的干燥产物再在400℃煅烧5小时，后自然降温到室温。

[0056] 所得γ-Fe2O3粉体有部分团聚，纳米粒子的尺寸主要分布在51-30nm，经测试其在400℃的NOx催化转化率为94.3％。

[0057] 实施例5：可用于NOx高效催化转化的γ-Fe2O3粉体的制备：

[0058] (1)除去纯铁丝(直径0.5mm，质量9克)表面铁锈和杂质，后分别用丙酮、乙醇洗涤；

[0059] (2)将步骤(1)处理得到的铁丝剪成2cm长的小段后放入80mL溶液中，该溶液含有60g NaOH；

[0060] (3)将步骤(2)得到的铁丝及混合溶液于230℃条件下水热反应20h；

[0061] (4)将步骤(3)得到的反应液冷却至室温，后往体系中缓慢加入去离子水并搅拌2小时，超声10h，用磁铁吸引产物粉末，辅助分离除去其他少量杂质，后过滤；

[0062] (5)将步骤(4)得到的产物分别用无水酒精和去离子水洗涤，最后洗涤产物在50℃下进行干燥24小时。

[0063] (6)将步骤(5)得到的干燥产物再在400℃煅烧8小时，后自然降温到室温。

[0064] 所得γ-Fe2O3粉体有部分团聚，纳米粒子的尺寸主要分布在98-45nm，经测试其在400℃的NOx催化转化率为88.1％。

[0065] 实施例6：可用于NOx高效催化转化的γ-Fe2O3粉体的制备：

[0066] (1)除去纯铁丝(直径2.8mm，质量9克)表面铁锈和杂质，后分别用丙酮、乙醇洗涤；

[0067] (2)将步骤(1)处理得到的铁丝剪成2cm长的小段后放入80mL溶液中，该溶液含有60g NaOH；

[0068] (3)将步骤(2)得到的铁丝及混合溶液于265℃条件下水热反应36h；

[0069] (4)将步骤(3)得到的反应液冷却至室温，后往体系中缓慢加入去离子水并搅拌2小时，超声15h，用磁铁吸引产物粉末，辅助分离除去其他少量杂质，后过滤；

[0070] (5)将步骤(4)得到的产物分别用无水酒精和去离子水洗涤，最后洗涤产物在80℃下进行干燥24小时。

[0071] (6)将步骤(5)得到的干燥产物再在400℃煅烧4小时，后自然降温到室温。

[0072] 所得γ-Fe2O3粉体有部分团聚，纳米粒子的尺寸主要分布在49-23nm，经测试其在400℃的NOx催化转化率为94.9％。