PL230416B1

PL230416B1 - Sposób otrzymywania nanokrystalicznego tlenku żelaza z wykorzystaniem metody solwotermalnej

Info

Publication number: PL230416B1
Application number: PL408234A
Authority: PL
Inventors: Zofia Lendzion-Bieluń; Urszula Narkiewicz; Anna Pachla
Original assignee: Univ West Pomeranian Szczecin Tech
Priority date: 2014-05-19
Filing date: 2014-05-19
Publication date: 2018-10-31
Also published as: PL408234A1

Abstract

Sposób otrzymywania nanokrystalicznego tlenku żelaza z wykorzystaniem metody solwotermalnej, charakteryzuje się tym, że rozpuszcza się sól żelaza w glikolu polietylenowym z dodatkiem octanu sodu, umieszcza się tak otrzymany, klarowny roztwór w reaktorze mikrofalowym i prowadzi się syntezę w obecności rozpuszczalnika niewodnego w postaci glikolu polietylenowego, w temperaturze w zakresie od 130°C do 174°C, przy mocy mikrofal w zakresie 25-45%., otrzymuje się zawiesinę zawierającą nanocząstki tlenku żelaza, a nanocząstki tlenku żelaza oddziela się od roztworu na drodze dekantacji z użyciem magnesu stałego i kilkukrotnym przepłukaniu alkoholem i wodą.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób otrzymywania nanokrystalicznego tlenku żelaza (FesO4) z wykorzystaniem metody solwotermalnej.

Tlenek żelaza (II i III) magnetyt(Fe3O4) jest mieszaniną tlenków żelaza na drugim i trzecim stopniu utlenienia (FeO Fe2O3). Sposób otrzymania tlenku żelaza jest ściśle związany z jego dalszym przeznaczeniem. Nowym trendem w ostatnich latach stało się otrzymywanie nanokrystalicznego tlenku żelaza i jego wykorzystanie w różnych dziedzinach przemysłu. Na szeroką skalę prowadzone są badania nad wykorzystaniem superparamagnetycznych właściwości Fe3O4 w medycynie (w systemach kontrolowanego uwalniania leku, hipertermii magnetycznej, obrazowaniu przy użyciu rezonansu magnetycznego czy magnetycznym znakowaniu komórek). Inne przykładowe zastosowanie nanokrystalicznego tlenku żelaza to produkcja pigmentów żelazowych oraz ultra kompaktowych nośników pamięci.

Z opisu patentowego WO 2008037666 A1 znany jest sposób otrzymywania tlenku żelaza metodą współstrącania soli żelazowych wykorzystując alkalia. Chlorki żelaza w stosunku molowym Fe3⁺/Fe²⁺ (2:1) rozpuszczone w roztworze 0,2M HCI wkraplane są do roztworu 1,5M NaOH w atmosferze azotu i temperaturze 80°C. Następnie po 20 minutach za pomocą magnesu stałego zostaje zebrany produkt i przepłukany trzykrotnie wodą dejonizowaną oraz kolejno zawieszony w 100 ml roztworu 0,01 M HCI w celu dalszej modyfikacji wytworzonych cząstek.

W opisie patentowym CN 102515283 znany jest sposób otrzymywania tlenku żelaza, o średniej wielkości cząstek od 3 do 50 nm. Glikol polietylenowy (PEG) podgrzewany jest do temperatury 70-90°C. Następnie dodawany jest acetyloacetonian żelaza i mieszany w atmosferze argonu w czasie od 5 do 15 min. Próbkę poddaję się ogrzewaniu do temperatury 150-320°C przez 20-600 min. Po ochłodzeniu mieszaniny do 60°C, dodawany jest toluen (50-70ml). Otrzymane nanocząstki oddziela się magnetycznie, przepłukuje trzy razy acetonem i zawiesza w roztworze wodnym.

Z literatury [Shouhu Xuan, Lingyun Hao, Preparation of water-soluble magnetite nanocrystals through hydrothermal approach. Journal of Magnetism and Magnetic Materials 308 (2007) 210-213] znany jest również sposób otrzymywania nanokrystalicznego tlenku żelaza w którym chlorek żelaza (III) rozpuszczono w wodzie. Do uzyskanego roztworu dodano węglan sodu oraz kwas askorbinowy intensywnie mieszając. Mieszaninę następnie przeniesiono i zamknięto w autoklawie, w którym przez 3h utrzymywana była temperatura 160°C. Produkty końcowe zostały oddzielone od mieszaniny reakcji przez odwirowanie. Naprzemiennie w 3 cyklach płukano w wodzie destylowanej i alkoholu oraz wirowano. Tak otrzymany osad suszono przez 12 h w temperaturze 60°C.

Znane jest ze zgłoszenia WO2008118422 rozwiązanie dotyczące nanokrystalicznych form tlenków metali oraz sposobów ich wytwarzania i zastosowania. Opisane tam zostały nanokryształy, w tym niepokryte i niepowlekane nanokryształy tlenku metalu, które mogą być rozproszone w cieczy w celu zapewnienia stabilność dyspersji i niewytrącania się ich w przedziale czasu od godzin do kilku miesięcy. Przedstawione zostały również sposoby przygotowania dyspersji i sposoby zastosowania dyspersji do tworzenia filmów/powłok. Filmy mogą zawierać organiczną, nieorganiczną lub mieszaną organiczną/nieorganiczną matrycę. Filmy mogą być w istocie wolne od wszystkich materiałów organicznych. Filmy mogą być stosowane jako powłoki lub jako warstwy dielektryczne w różnych zastosowaniach elektronicznych, na przykład jako materiał dielektryczny do ultrakondensatora zawierającego materiał mezoporowaty.

W zgłoszeniu CN1011348240 przedstawiona została metoda zol-rozpuszczalnik służąca do syntezy proszku tlenku nanokrystalicznego. Metoda obejmuje następujące czynności: (1) etap przygotowania nieorganicznych soli cieczy macierzystych, w których sól nieorganiczna będąca materiałem rozpuszcza się w organicznym ciekłym ośrodku lub wodzie, w celu wytworzenia macierzystej cieczy z nieorganicznej soli o określonym stężeniu; (2) etap przygotowania cieczy będącej reagentem wytrącającym się, podczas której zasady są rozpuszczane w organicznym ciekłym ośrodku lub wodzie, dodawana jest odpowiednia ilość środków powierzchniowo czynnych w celu uzyskania wytrąconej cieczy o określonym stężeniu; (3) etap przygotowania zoli, podczas którego, w pewnej temperaturze, podczas mieszania, przygotowaną ciecz reakcyjną powoli dodaje się do przygotowanej cieczy macierzystej soli nieorganicznej, reakcja cieczy reakcyjnej i cieczy macierzystej soli nieorganicznej jest utrzymywana przez pewien czas po dodaniu reagentów do płynu macierzystego soli nieorganicznej aż otrzymane zostaną przezroczyste zole; oraz (4) etap reakcji termicznej rozpuszczalników zoli, podczas których wytworzone zole umieszcza się w reaktorze i poddaje reakcji przez pewien czas

PL230 416 Β1 w określonych warunkach temperatury i ciśnienia, otrzymane produkty poddaje się filtracji, przemywaniu i suszeniu, w wyniku czego otrzymuje się proszek tlenku nanokrystalicznego,

Nieoczekiwanie okazało się, że zastosowanie mikrofal w solwotermalnej metodzie otrzymywania tlenku żelaza przynosi znacznie ja upraszcza i przynosi dodatkowe korzyści.

Sposób otrzymywania nanokrystalicznego tlenku żelaza, według wynalazku, z wykorzystaniem metody solwotermalnej, charakteryzuje się tym, że rozpuszcza się chlorek żelaza (III) 6-hydrat cz.d.a w glikolu polietylenowym z dodatkiem octanu sodu, umieszcza się tak otrzymany, klarowny roztworu w reaktorze mikrofalowym i prowadzi się syntezę w obecności rozpuszczalnika niewodnego w postaci glikolu polietylenowego, w temperaturze w zakresie od 130°C do 174°C, przy mocy mikrofal w zakresie 25-45%. Otrzymuje się zawiesinę zawierającą nanocząstki tlenku żelaza, a nanocząstki tlenku żelaza oddziela się od roztworu na drodze dekantacji z użyciem magnesu stałego i kilkukrotnym przepłukaniu alkoholem i wodą. Syntezę prowadzi się pod ciśnieniem od 0,8 do 1,0 bar.

Jeżeli nanocząstki chcemy uzyskać w postaci ciała stałego, to zawiesinę suszy się w temperaturze 100°C przez co najmniej 6 godzin.

Zaletą rozwiązania według wynalazku jest to, że dzięki zastosowaniu reaktora mikrofalowego i metody solwotermalnej polegającej na syntezie z użyciem rozpuszczalnika niewodnego pod zwiększonym ciśnieniem i w wysokiej temperaturze, uzyskano krótki czas syntezy oraz jednorodność rozmiarów otrzymanych nanocząstek tlenku żelaza (II i III).

Przykład 1

Zmieszano 1,350 g chlorku żelaza(lll) 6-hydrat cz.d.a. z 40 ml glikolu polietylenowy. Następnie do tak otrzymanego roztworu dodano 3,6 g bezwodnego octanu sodu. Otrzymaną klarowną mieszaninę umieszczono w pojemniku teflonowym reaktora mikrofalowego. Całkowity czas reakcji wynosił 1h 20 min. Ciśnienie panujące w pojemniku teflonowym wahało się od 0,8 do 1,0 bar, temperatura reakcji wynosiła 150-154°C, moc mikrofal 30%. Mieszaninę poreakcyjną pozostawiono do ostygnięcia do temperatury pokojowej po czym wykonano dekantację z użyciem magnesu stałego. Osad płukano etanolem i wodą destylowaną, a następnie suszono w temperaturze 100°C przez 6h. Na podstawie analizy XRD określono rozmiary otrzymanych krystalitów FeaO4 Średni rozmiar krystalitów wynosił 8,6 nm.

Przykład 2

Zmieszano 1,350 g chlorku żelaza (III) 6-hydrat cz.d.a. z 40 ml glikolu polietylenowy. Następnie do tak otrzymanego roztworu dodano 3,6 g bezwodnego octanu sodu. Otrzymaną klarowną mieszaninę umieszczono w pojemniku teflonowym reaktora mikrofalowego. Całkowity czas reakcji wynosił 1 h 20 min. Ciśnienie panujące w pojemniku teflonowym wahało się od 0,8 do 1,0 bar, temperatura reakcji wynosiła 160-164°C, moc mikrofal 30%. Mieszaninę poreakcyjną pozostawiono do ostygnięcia do temperatury pokojowej po czym wykonano dekantację z użyciem magnesu stałego. Osad płukano etanolem i wodą destylowaną, a następnie suszono w temperaturze 100 C przez 6 h. Na podstawie analizy XRD określono rozmiary otrzymanych krystalitów Fe3O4. Średni rozmiar krystalitów wynosił 13,6 nm.

Przykład 3

Zmieszano 1,350 g chlorku żelaza (III) 6-hydrat cz.d.a. z 40 ml glikolu polietylenowy. Następnie do tak otrzymanego roztworu dodano 3,6 g bezwodnego octanu sodu. Otrzymaną klarowną mieszaninę umieszczono w pojemniku teflonowym reaktora mikrofalowego. Całkowity czas reakcji wynosił 1 h 20 min. Ciśnienie panujące w pojemniku teflonowym wahało się od 0,8 do 1,0 bar, temperatura reakcji wynosiła 170-174°C, moc mikrofal 30%. Mieszaninę poreakcyjną pozostawiono do ostygnięcia do temperatury pokojowej po czym wykonano dekantację z użyciem magnesu stałego. Osad płukano etanolem i wodą destylowaną, a następnie suszono w temperaturze 100°C przez 6h. Na podstawie analizy XRD określono rozmiary otrzymanych krystalitów FeaO4 Średni rozmiar krystalitów wynosił 23,6 nm.

Przykład 4

Zmieszano 1,350 g chlorku żelaza (III) 6-hydrat cz.d.a. z 40 ml glikolu polietylenowy. Następnie do tak otrzymanego roztworu dodano 3,6 g bezwodnego octanu sodu. Otrzymaną klarowną mieszaninę umieszczono w pojemniku teflonowym reaktora mikrofalowego. Całkowity czas reakcji wynosił 1h 20 min. Ciśnienie panujące w pojemniku teflonowym wahało się od 0,8 do 1,0 bar, temperatura reakcji wynosiła 170-174°C, moc mikrofal 35%. Mieszaninę poreakcyjną pozostawiono do ostygnięcia do temperatury pokojowej po czym wykonano dekantację z użyciem magnesu stałego.

PL230 416 Β1

Osad płukano etanolem i wodą destylowani, a następnie suszono w temperaturze 100°C przez 6 h. Na podstawie analizy XRD określono rozmiary otrzymanych krystalitów FesO4 Średni rozmiar krystalitów wynosił 11.8 nm.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób otrzymywania nanokrystalicznego tlenku żelaza z wykorzystaniem metody solwotermalnej, znamienny tym, ze rozpuszcza się chlorek żelaza (III) 6-hydrat cz.d.a w glikolu polietylenowym z dodatkiem octanu sodu, umieszcza się tak otrzymany, klarowny roztwór w reaktorze mikrofalowym i prowadzi się syntezę w obecności rozpuszczalnika niewodnego w postaci glikolu polietylenowego, w temperaturze w zakresie od 130°C do 174°C, przy mocy mikrofal w zakresie 25-45, otrzymuje się zawiesinę zawierająca nanocząstki tlenku żelaza, nanocząstki tlenku żelaza oddziela się od roztworu na drodze dekantacji z użyciem magnesu stałego i kilkukrotnym przepłukaniu alkoholem i wodą, przy czym syntezę prowadzi się pod ciśnieniem w zakresie od 0,8 do 1.0 bar.