一种氯氧铁的制备方法与流程

本发明属于氯氧化铁制备，具体涉及一种氯氧铁的制备方法。

背景技术：

1、氯氧铁（feocl）是一类具有典型层状晶体结构的无机化合物，层间距约为0.8nm，独特的层状结构赋予其优异的电化学性能、插层改性能力及催化活性。在电化学领域，氯氧铁作为锂一次电池阴极材料时放电容量可达mno2的3倍以上，经苯胺、吡咯等有机单体插层改性后还可用作锂二次电池阴极材料；此外，氯氧铁在光催化降解有机污染物、气体吸附分离等领域亦展现出广阔的应用前景。随着新能源与催化材料产业的发展，市场对高纯度氯氧铁的规模化供应提出了迫切需求。

2、目前，氯氧铁的制备方法主要包括化学气相输运技术和传统水解法。化学气相输运技术以fe2o3和无水fecl3为混合原料，按摩尔比4:3混合后密封于石英管中，在氩气保护氛围下于380℃焙烧一周，再经大量无水丙酮抽滤洗涤过量fecl3并真空干燥获得产物；该方法反应周期长达7天，原料纯度与配比控制苛刻，后续洗涤干燥步骤繁琐且消耗大量有机溶剂。传统水解法以fecl3·6h2o为原料，在氮气保护氛围下于200~220℃反应3~4小时制得氯氧铁，虽缩短了反应时间，但仍需消耗大量氮气作为保护气体，产物纯度依赖于氛围稳定性，且同样需要后续提纯处理。

3、值得注意的是，上述现有制备方法存在一个共同的技术选择：无一例外地以惰性气体密封或保护的方式隔绝氧气。其根源在于本领域的普遍认知——氧气是强氧化剂，铁元素的终态稳定氧化物为氧化铁，在氧气氛围中氯化铁将被一路氧化至氧化铁，无法稳定停留在氯氧铁这一中间态，故氧气被视为制备氯氧铁时必须回避的干扰因素。这一认知导致现有方法工艺链条冗长、能耗与成本高企、难以规模化。因此，如何突破上述局限，开发一种工艺流程简单、反应效率高、成本低廉且能够获得单相高纯产物的氯氧铁制备方法，是本领域亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、旨在解决上述常用技术中如何在氧气氛围中定量控制氯化铁合成反应的氧化深度，使氧化反应选择性地终止于氯氧铁阶段而不继续生成氧化铁，从而一步获得无氧化铁杂相的单相氯氧铁的技术问题，本发明提供了一种氯氧铁的制备方法，包括以下步骤：

2、s1、以无水氯化铁为唯一含铁原料，向反应体系中通入反应气体，所述反应气体为氧气或氧气与氯气的混合气体；控制反应体系内有效氧当量与无水氯化铁的摩尔比不大于1.5:1；将所述反应体系升温至400~700℃进行合成反应；

3、s2、所述合成反应结束后，保持所述反应气体的通入状态直至体系冷却，收集固体产物，即得氯氧铁。

4、进一步的，所述反应气体为氧气时，氧气流量为280~855ml/min。

5、进一步的，所述反应气体为氧气与氯气的混合气体时，氧气流量为280~855ml/min，氯气流量为150~600ml/min，且所述混合气体的流量不超过1455ml/min。

6、进一步的，所述有效氧当量与无水氯化铁的摩尔比为0.5:1~1.5:1。

7、进一步的，所述反应的温度为400~550℃。

8、进一步的，所述无水氯化铁的纯度≥97%，所述无水氯化铁以2~5mm的厚度铺设参与反应。

9、进一步的，升温前，以所述反应气体置换所述反应体系中的空气。

10、进一步的，升温速率为5~10℃/min，所述合成反应的时间为2~10h。

11、进一步的，所得氯氧铁产物的氯含量为36.5%~37.2%。

12、本发明还提供了一种氯氧铁的制备装置，用于实施如上所述的氯氧铁的制备方法，包括管式反应炉；所述管式反应炉包括反应容器和用于对所述反应容器加热的加热装置，所述反应容器沿反应气体流动方向依次设置有反应区和低温区；

13、所述反应区的长度为30~50cm，用于铺设所述无水氯化铁并供所述合成反应进行；所述低温区的温度较所述反应区低50~100℃，用于在冷却过程中富集氯氧铁产物；

14、所述反应容器靠近所述反应区的一端设置有气体入口，靠近所述低温区的一端设置有气体出口，所述气体入口连接有质量流量控制器，用于调控所述反应气体的流量；

15、所述加热装置被配置为在所述合成反应结束后关闭，且在所述加热装置关闭后，所述反应气体持续通入直至反应体系自然冷却至25±5℃，所述氯氧铁产物在所述低温区富集后收集。

16、与现有技术相比，本发明至少包括以下优点：

17、本发明以无水氯化铁为唯一含铁原料，以氧气或氧气与氯气的混合气体作为反应物，通过反应气体组成、反应体系内有效氧当量与无水氯化铁的摩尔比与反应温度（400~700℃）的协同控制，并结合反应结束后持续通入反应气体直至体系冷却的操作，实现了单相氯氧铁的一步制备，其技术效果具体体现在以下方面：

18、其一，氧气摩尔比上限控制使氧化深度精确可控。无水氯化铁与氧气的气-固反应分步进行，先生成氯氧铁，氧气过量时氯氧铁进一步氧化为氧化铁。将有效氧当量与无水氯化铁的摩尔比限制为小于等于1.5:1，体系氧分压被精确限定在仅能将氯化铁氧化至氯氧铁的程度，氧化反应在氯氧铁阶段即告终止，从源头抑制了氧化铁杂相的生成；掺入氯气构成混合反应气体时，氯气作为反应产物逆移氧化平衡，进一步强化了对过度氧化的抑制，与摩尔比控制形成协同。

19、其二，400~700℃的温度窗口兼顾了反应驱动力与物相稳定性。低于400℃反应动力学不足，氯化铁难以转化；高于700℃则引发副反应及局部烧结，产生杂相。该温度区间与氧气摩尔比控制相互配合、缺一不可，保证产物物相纯净。

20、其三，反应结束后保持反应气体通入直至体系冷却，使热的产物始终处于反应气体保护之下，避免降温过程中空气倒吸导致的产物氧化或潮解变质，且无需额外通入氩气、氮气等惰性保护气体。

21、在上述特征的协同作用下，所得固体产物中无氧化铁杂相，无需任何后续提纯处理即为单相氯氧铁。与现有化学气相输运技术相比，本发明以单一廉价原料一步反应获得目标产物，反应周期由7天缩短至数小时，摒弃了有机溶剂洗涤、真空干燥等后处理工序及保护气体的消耗，工艺流程简单、能耗与成本低廉、产物批次稳定性好，适合规模化工业生产；同时，本发明将本领域公认必须隔绝的氧气转化为精准计量的反应物加以利用，克服了现有技术中的固有技术偏见。

1.一种氯氧铁的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的氯氧铁的制备方法，其特征在于，所述反应气体为氧气时，氧气流量为280~855ml/min。

3.根据权利要求1所述的氯氧铁的制备方法，其特征在于，所述反应气体为氧气与氯气的混合气体时，氧气流量为280~855ml/min，氯气流量为150~600ml/min，且所述混合气体的流量不超过1455ml/min。

4.根据权利要求1所述的氯氧铁的制备方法，其特征在于，所述有效氧当量与无水氯化铁的摩尔比为0.5:1~1.5:1。

5.根据权利要求1所述的氯氧铁的制备方法，其特征在于，所述反应的温度为400~550℃。

6.根据权利要求1所述的氯氧铁的制备方法，其特征在于，所述无水氯化铁的纯度≥97%，所述无水氯化铁以2~5mm的厚度铺设参与反应。

7.根据权利要求1所述的氯氧铁的制备方法，其特征在于，升温前，以所述反应气体置换所述反应体系中的空气。

8.根据权利要求1所述的氯氧铁的制备方法，其特征在于，升温速率为5~10℃/min，所述合成反应的时间为2~10h。

9.根据权利要求1所述的氯氧铁的制备方法，其特征在于，所得氯氧铁产物的氯含量为36.5%~37.2%。

10.根据权利要求1所述的氯氧铁的制备方法，其特征在于，所述制备方法在氯氧铁的制备装置中实施，所述制备装置包括管式反应炉；所述管式反应炉包括反应容器和用于对所述反应容器加热的加热装置，所述反应容器沿反应气体流动方向依次设置有反应区和低温区；