CN103343477B - 一种在碳纳米纸上大规模负载Fe3O4纳米颗粒的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种碳纳米纸基-Fe3O4锂离子电池负极及其制备方法。包括制备分散液，负载Fe3O4，施胶，烘干过程。本发明采用已经制备好的Fe3O4颗粒直接负载于碳纳米纸上，避免采用沉积法负载Fe3O4对碳纳米纸的损坏，和沉积法制备Fe3O4纳米颗粒带来的大量副产物也附着在碳纳米纸上难以清洗的问题。

Description

一种在碳纳米纸上大规模负载Fe3O4纳米颗粒的方法
技术领域
本发明涉及负载磁性纳米颗粒的方法，特别是一种在碳纳米纸上负载Fe3O4纳米颗粒的方法。
背景技术
碳纳米纸（又称巴基纸，Bucky paper）是一种由碳纳米管或碳纳米纤维交联聚合形成的自支撑的纸状基材，它一方面保留了碳纳米材料高比表面积、导电性等特点；另一方面还具备宏观材料的可操作性。它可广泛应用于锂离子电池、燃料电池、吸波材料、高振动阻尼材料。对于碳纳米纸的这些应用领域，通常需要在其上面负载一些活性材料以增加其应用性能。尤其是对于吸波和振动阻尼材料负载其他活性材料尤为重要。
吸波材料是指能吸收投射到它表面的电磁波能量, 并通过材料的介质损耗使电磁波能量转化为热能或其他形式的能量的材料。吸波的损耗机理主要分为电损耗和磁损耗，石墨，碳纤维，碳化硅等属于电损耗；而铁氧体、磁性金属等属于磁损耗。在实际应用中单一的电损耗介质或者磁损耗介质不足以在宽频率范围内同时满足阻抗匹配和强吸收。碳纳米纸是由纳米级碳纤维或者碳纳米管交联聚合成的多孔导电网络材料，是优良的纳米吸波电损耗材料。
Fe3O4 是尖晶石型铁氧体，纳米尺度的 Fe3O4 粉体材料是一种具有发展潜力的电磁波吸收材料。Fe3O4纳米颗粒制备方法主要有：沉淀法、水热法、微乳液法、溶胶凝胶法。其中，沉积法于其工艺操作简单成本较低，产品纯度高，组成均匀，适合于大规模生产，成为最常用的Fe3O4纳米颗粒制备方法。
通常采用原位沉积法将Fe3O4纳米颗粒负载于碳纳米纤维或碳纳米管。发明专利CN102583315A 公开了一种将碳纳米管分散液与二价、三价铁盐溶液混合，加入氢氧化钠沉淀剂，用蒸馏水和无水乙醇清洗，制得了Fe3O4负载碳纳米管的复合材料。公开杂志Applied Surface Science报道了将酸处理的碳纳米管加入FeCl3的乙二醇溶液中，再加入醋酸钠，在高压反应釜中，200℃反应15小时，得到黑色反应物，用乙醇多次冲洗，得到较为纯净的碳纳米管负载Fe3O4的复合材料。在碳纳米管或者碳纳米纤维等粉末材料上，采用原位负载是一种比较便捷的方法。然而，要将Fe3O4纳米颗粒复合在碳纳米纸上，采用原位负载的方法会对碳纳米纸表面特性依赖太强，因此在制备过程中存在困难。
目前在碳纳米纸上负载纳米颗粒材料，主要分为在制备碳纳米纸前和后的负载。专利公开号US2011111279(A1)利用纳米材料和碳纳米管共过滤的方式，制备了纳米颗粒材料与碳纳米管多层结构的纳米复合碳纳米纸。这种方法需要考虑纳米颗粒材料与碳纳米管或碳纳米纤维材料的分散差异，容易导致材料的分散不均。
在已制备的碳纳米纸上利用碳纳米纸的多孔性过滤负载纳米颗粒形成碳纳米复合材料具有优良的光学，磁学等性质。比如US20120301812A1利用原位负载的方法在碳纳米纸上负载催化剂做为燃料电池的电极。但是这种方法直接将碳纳米纸投入Fe3O4纳米颗粒的生长环境中，碳纳米纸很容易损毁，其次，清洗比较困难，因此负载在其上的纳米颗粒往往含有溶剂残留物等杂质。
发明内容
本发明目的在于提供一种在碳纳米纸上负载Fe3O4纳米颗粒的简易方法，以便将两种材料材料特性结合起来。
本发明目的是这样实现的，包括制备分散液，负载Fe3O4，施胶，烘干的具体为：
A．  制备Fe3O4分散液；
B． 负载Fe3O4纳米颗粒与碳纳米纸上，采用过滤方式负载；
C． 在负载了Fe3O4的碳纳米纸上施胶，以增加力学强度；
D．   烘干，将负载好的碳纳米纸烘干。
所述碳纳米纸是由单壁碳纳米管、多壁碳纳米管或者碳纳米纤维中的一种或者混合交联形成的自支撑的无纺布结构的纸状基材。
所述Fe3O4分散液为Fe3O4纳米颗粒均匀分散于水溶液中，可添加分散剂以增加其分散性。
所述分散剂为柠檬酸盐、十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠、聚乙二醇。
所述制备分散液，采用搅拌加超声过程。
所述采用过滤方式负载，是将碳纳米纸至于平面过滤装置上，充当过滤膜，将Fe3O4分散液倒在碳纳米纸上，过滤即可。
所述过滤过程可采用真空抽滤，以提高过滤速度。
所述施胶过程，采用喷洒浸渍胶液和抽滤涂布胶液两种方式之一。
所述胶液，为PVA水溶液、PVAc乳液、PVDF溶液、PDMS稀释液中的一种。
   有益效果
   本发明采用已经制备好的Fe3O4颗粒直接负载于碳纳米纸上，避免采用沉积法负载Fe3O4对碳纳米纸的损坏，和沉积法制备Fe3O4纳米颗粒带来的大量副产物也附着在碳纳米纸上难以清洗的问题；并且通过在施胶保护和增强了Fe3O4碳纳米复合纸的力学性质。
附图说明
图1为 本发明在碳纳米纸上大规模负载Fe3O4的方法流程图；
图中：1- Fe3O4分散液、2-碳纳米纸、3-胶液。
图2 为本发明中碳纳米纸基上Fe3O4的X射线衍射图谱。
图3为本发明中碳纳米纸基上负载Fe3O4的SEM显微照片。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明在碳纳米纸上负载Fe3O4纳米颗粒的方法作进一步对说明，但不以任何方式对本发明加以限制，依据本发明的教导所作的任何变更或替换，均属于本发明的保护范围。
图1 是本发明在碳纳米纸上大规模负载Fe3O4的方法流程图；
流程包括：
A．  制备Fe3O4分散液1；
B． 负载Fe3O4纳米颗粒与碳纳米纸2上，采用过滤方式负载；
C． 在负载了Fe3O4的碳纳米纸上施胶3，以增加力学强度；
D．  烘干，将负载好的碳纳米纸烘干。
所述碳纳米纸是由单壁碳纳米管、多壁碳纳米管或者碳纳米纤维中的一种或者混合交联形成的自支撑的无纺布结构的纸状基材。
所述Fe3O4分散液为Fe3O4纳米颗粒均匀分散于水溶液中，可添加分散剂以增加其分散性。
所述分散剂为柠檬酸盐、十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠、聚乙二醇。
所述制备分散液，采用搅拌加超声过程。
所述采用过滤方式负载，是将碳纳米纸至于平面过滤装置上，充当过滤膜，将Fe3O4分散液倒在碳纳米纸上，过滤即可。
所述过滤过程可采用真空抽滤，以提高过滤速度。
所述施胶过程，采用喷洒浸渍胶液和抽滤涂布胶液两种方式之一。
所述胶液，为PVA水溶液、PVAc乳液、PVDF溶液、PDMS稀释液中的一种。
图2 为本发明中碳纳米纸基上Fe3O4的X射线衍射图谱，从图中可明显看出既有Fe3O4的峰，又有碳纳米纸的碳的峰，说明有Fe3O4负载在碳纳米纸上了。
图3为本发明中碳纳米纸基上负载Fe3O4的SEM显微照片，从图中可看出已经许多物质负载在碳纳米纸上。
实施例1：
将Fe3O4纳米颗粒加入水中，加入适量柠檬酸钠，充分搅拌，并超声10分钟，制成Fe3O4分散液；将碳纳米纸安装在抽滤装置上，倒入Fe3O4分散液，进行真空抽滤；随后，加入PVA水溶液，抽滤，进行施胶固定；最后烘干。
实施例2：
将Fe3O4纳米颗粒加入水中，加入适量聚乙二醇，充分搅拌，并超声15分钟，制成Fe3O4分散液；将碳纳米纸安装在抽滤装置上，倒入Fe3O4分散液，进行真空抽滤；随后，在负载了Fe3O4的碳纳米纸上喷洒一些PVAc乳液，使其充分浸渍，进行施胶固定；最后烘干。
实施例3：
将Fe3O4纳米颗粒加入水中，加入适量十二烷基硫酸钠，充分搅拌，并超声10分钟，制成Fe3O4分散液；将碳纳米纸安装在抽滤装置上，倒入Fe3O4分散液，进行真空抽滤；适当烘干；随后，加入PVDF溶液，抽滤，进行施胶固定；最后烘干。
实施例4：
将Fe3O4纳米颗粒加入水中，加入适量柠檬酸钠，充分搅拌，并超声10分钟，制成Fe3O4分散液；将碳纳米纸安装在抽滤装置上，倒入Fe3O4分散液，进行真空抽滤；适当烘干；随后，加入PDMS稀释液，抽滤，进行施胶固定；最后烘干。
实施例5：
将Fe3O4纳米颗粒加入水中，加入适量十二烷基苯磺酸钠，充分搅拌，并超声10分钟，制成Fe3O4分散液；将碳纳米纸安装在抽滤装置上，倒入Fe3O4分散液，进行真空抽滤；随后，加入PVA水溶液，抽滤，进行施胶固定；最后烘干。

Claims (7)

1.一种在碳纳米纸上大规模负载Fe3O4 纳米颗粒的方法，包括制备分散液，负载Fe3O4，施胶，烘干，具体为：
A．制备Fe3O4 分散液，具体为Fe3O4 纳米颗粒均匀分散于水溶液中，添加分散剂以增加其分散性；
B．负载Fe3O4 纳米颗粒于碳纳米纸上，采用过滤方式负载，具体是将碳纳米纸置于平面过滤装置上，充当过滤膜，将Fe3O4 分散液倒在碳纳米纸上，过滤即可；
C．在负载了Fe3O4 的碳纳米纸上施胶，以增加力学强度；
D．烘干，将负载好的碳纳米纸烘干。
2.根据权利要求1 所述的方法，其特征是：所述碳纳米纸是由单壁碳纳米管、多壁碳纳米管或者碳纳米纤维中的一种或者混合交联形成的自支撑的无纺布结构的纸状基材。
3. 根据权利要求1 所述的方法，其特征是：所述分散剂为柠檬酸盐、十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠、聚乙二醇。
4. 根据权利要求1 所述的方法，其特征是：所述制备分散液，采用搅拌加超声过程。
5. 根据权利要求1 所述的方法，其特征是：所述过滤过程采用真空抽滤，以提高过滤速度。
6.  根据权利要求1 所述的方法，其特征是：所述施胶过程，采用喷洒浸渍胶液和抽滤涂布胶液两种方式之一。
7. 根据权利要求6 所述的方法，其特征是：所述胶液，为PVA 水溶液、PVAc 乳液、PVDF溶液、PDMS 稀释液中的一种。
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