CN104163414B - 一种高度有序介孔碳材料的制备方法 - Google Patents
一种高度有序介孔碳材料的制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN104163414B CN104163414B CN201410346175.8A CN201410346175A CN104163414B CN 104163414 B CN104163414 B CN 104163414B CN 201410346175 A CN201410346175 A CN 201410346175A CN 104163414 B CN104163414 B CN 104163414B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- carbon material
- particle
- nanoparticle
- preparation
- ferriferrous oxide
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Landscapes
- Carbon And Carbon Compounds (AREA)
Abstract
本发明属于无机材料技术领域，具体为一种高度有序介孔碳材料的制备方法。本发明首先通过油酸铁裂解反应，得到油酸包覆的四氧化三铁纳米粒子；然后将所得纳米粒子溶于正己烷中，将溶剂挥发蒸干，使纳米粒子排列组装，再经高温碳化，即得到高度有序的碳包覆四氧化三铁纳米粒子；最后将纳米粒子刻蚀掉，即得到高度有序的介孔碳材料。本发明方法简单，原料易得，成本较低，可以通过控制四氧化三铁纳米粒子的粒径及形貌，得到不同孔径及形貌的介孔碳材料。本发明所得有序介孔碳材料具有极高的比表面积，在载药、废水处理等领域具有广宽的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于无机材料技术领域，具体涉及一种高度有序介孔碳材料的制备方法。
背景技术
介孔碳由于其具有巨大的比表面积及孔体积，使得其具有非常强的吸附能力，因此在吸附剂中具有非常重要的地位，并且也使得其在催化剂载体、电极材料、储氢材料等方面具有非常重要的应用前景。另外，介孔碳还具有耐高温、耐酸碱、导电和传热等优点。
目前介孔碳主要制备方法有：（1）硬模板法，即采用有序介孔硅为模板，浇铸法合成出有序介孔碳材料。这种方法原理简单，但是步骤复杂，需要额外制备模板，并且要使用氢氟酸或氢氧化钠除去硅模板；（2）软模板法，利用诱导挥发自组装法制备有序介孔碳。此方法一般先将嵌段共聚物表面活性剂和碳源分散在有机溶剂中，在有机溶剂挥发过程中，嵌段共聚物自发组装成有序介观结构，碳前驱体包裹在活性剂的表面；在合适温度下低分子量碳前驱体交联固化形成有序高分子。通过高温碳化，将酚醛树脂碳化形成有序介孔碳。与传统方法相对，软模板法制备介孔碳相对简单易操作。但是软模板法依然需要很多时间及步骤来组装模板，工序复杂，合成周期长。（3）催化活化法，主要用于生产大比表面积介孔碳材料，需要填加造孔剂，材料成型后需要将造孔剂去除。
本发明利用有机溶剂挥发使得纳米粒子自组装成高度有序材料，通过高温锻烧的方法，将纳米粒子表面配体碳化，然后用酸将纳米粒子刻蚀即可得到高度有序介孔材料。本发明方案与软模板法具有类似的原理，但是相对软模板法，本发明使用低沸点有机溶剂，溶剂挥发速度快，纳米粒子自组装排列高度有序，合成周期短，工序简单。同时，本发明所用纳米粒子为四氧化三铁纳米粒子，具有磁单畴、超顺磁等特殊性能，磁性优异，可以被应用于录音磁带、电讯器材等的原材料，并且可以用作颜料和抛光剂等。因此高温锻烧后材料不加以刻蚀，则可集高度有序碳材料及磁性纳米材料的性能于一体，在电磁记录、电磁波吸收、催化剂、水处理及生物医学等方面都有潜在应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高度有序的介孔碳材料，并且拓宽其应用范围，提供一种性能稳定，集介孔碳与磁性纳米材料特性于一体的纳米材料。
本发明提供的高度有序的介孔碳材料的制备方法，具体步骤如下：
（1）将纳米粒子前驱体油酸铁在油酸作用下在溶剂中进行高温裂解，得到不同粒径和形貌的四氧化三铁纳米粒子，其表面包覆有油酸分子；
（2）将所得纳米粒子溶于正己烷中，再蒸掉正己烷，得到具有高度有序结构的纳米粒子阵列；
（3）将所得纳米粒子阵列在氮气或氩气下300℃以上煅烧，使得表面包覆的油酸分子碳化，得到高度有序排列的四氧化三铁纳米粒子，所得纳米粒子表面包覆有碳层包覆。该纳米粒子材料可以应用于电磁领域如电磁记录、电磁波吸收等；
（4）将所得纳米粒子用盐酸或硝酸刻蚀，得到具有高比表面积的介孔碳材料。该介孔碳材料可以应用于催化、水处理、药物医学等领域。
本发明中，所述油酸铁前驱体高温裂解温度为270℃至330℃，所用溶剂可为十六烯，辛醚，十八烯，或二十烯等，裂解时间为30—90分钟。
本发明中，所述四氧化三铁纳米粒子制备过程中，油酸浓度为1.5mM~4.5mM。
本发明中，所述四氧化三铁纳米粒子粒径为8~20nm。
本发明中，所述高温煅烧温度为300~600℃，煅烧时间为2-4小时。
本发明方法，操作简单，原料易得，制备量大，所制备介孔碳材料排列高度有序，具有非常高的比表面积并且孔径及形貌可控。若不将纳米粒子刻蚀，还可作为高度有序磁性纳米材料，应用于电磁领域。
附图说明
图1为本发明制备的磁性纳米材料的扫描电镜图；
图2为本发明制备的介孔碳材料的扫描电镜图；
图3为本发明制备的磁性纳米材料的透射电镜图；
图4为本发明制备的介孔碳材料的透射电镜图；
图5为本发明制备的介孔碳材料的X射线小角衍射图谱；
图6为本发明制备的介孔碳材料的比表面积（a）及孔径分析图谱(b)。
具体实施方式
实施例1：将36g油酸铁，5.7g油酸，溶于200g十八烯中，氮气保护下320℃反应30min，得到粒径10nm左右四氧化三铁纳米粒子。将所得纳米粒子溶于正己烷中，蒸掉溶剂，即可得到高度有序油酸包覆纳米材料。将所得材料500℃高温煅烧2小时，即可得到高度有序碳包覆四氧化三铁纳米粒子。将所得材料用盐酸刻蚀掉四氧化三铁，即得到粒径为10nm左右介孔碳材料。其比表面积可为1600m2/g。
实施例2：将36g油酸铁，8.55g油酸，溶于300g十八烯中，氮气保护下330℃反应60min，得到粒径14nm左右四氧化三铁纳米粒子。将所得纳米粒子溶于正己烷中，蒸掉溶剂，即可得到高度有序油酸包覆纳米材料。将所得材料500℃高温煅烧2小时，即可得到高度有序碳包覆四氧化三铁纳米粒子。将所得材料用盐酸刻蚀掉四氧化三铁，即得到粒径为14nm左右介孔碳材料。
实施例3：将72g油酸铁，5.7g油酸，溶于200g十六烯中，氮气保护下280℃反应90min，得到粒径6nm左右四氧化三铁纳米粒子。将所得纳米粒子溶于正己烷中，蒸掉溶剂，即可得到高度有序油酸包覆纳米材料。将所得材料500℃高温煅烧2小时，即可得到高度有序碳包覆四氧化三铁纳米粒子。将所得材料用盐酸刻蚀掉四氧化三铁，即得到粒径为6nm左右介孔碳材料。
实施例4：使用油酸钠过量处理的油酸铁41g，5.7g油酸，溶于200g十八烯中，氮气保护下320℃反应30min，得到粒径10nm左右立方体形四氧化三铁纳米粒子。将所得纳米粒子溶于正己烷中，蒸掉溶剂，即可得到高度有序油酸包覆纳米材料。将所得材料500℃高温煅烧2小时，即可得到立方体型高度有序碳包覆四氧化三铁纳米粒子。将所得材料用盐酸刻蚀掉四氧化三铁，即得到粒径为10nm左右立方体介孔碳材料。
下面通过扫描电镜分析、透射电镜分析、X射线小角衍射分析等手段对本发明高度有序介孔碳材料的结构与性能进行表征。
1.扫描电镜分析
图1为10nm四氧化三铁纳米材料在500℃煅烧后的扫描电镜图片。从图中可以看出，通过纳米粒子自组装，四氧化三铁纳米粒子在500℃煅烧后仍能保持非常好的形貌并且具有高度有序的层状结构。
图2为盐酸刻蚀后的介孔碳纳米材料。从图中可以明显看出，经过刻蚀后的纳米材料，具有明显的层状孔状结构，并且结构高度有序排列。刻蚀后的材料，不再具有磁性。
2.透射电镜分析
图3为500℃煅烧后的四氧化三铁纳米材料的透射电镜图片，具有多层高度有序的纳米结构。
图4刚为盐酸刻蚀后的介孔碳结构，从图中我们也可以看出，经过刻蚀以后，得到了多层有序介孔碳材料，孔径即为刻蚀掉的四氧化三铁纳米粒子的粒径。
3.X射线小角衍射
从小角衍射图图5中可以看出，经过刻蚀后的介孔碳材料，在宏观位面上高度有序，出现多个衍射峰，分别表征不同晶面的有序介孔碳结构。
4.比表面积及孔径分布
从图6中我们可以看出，刻蚀后所得材料为介孔材料，孔径为10nm，与刻蚀前四氧化三铁纳米粒子粒径一致。
综上所述，本发明相对现有技术具有以下特点：
本发明利用类似模板法制作高度有序介孔碳纳米材料，使用常见磁性能优越的四氧化三铁纳米粒子作为模板，以油酸为碳源。通过油酸铁裂解，得到不同粒径的均匀四氧化三铁纳米粒子，纳米粒子表面包覆有配体油酸。通过蒸干溶剂的方法，在溶剂挥发过程中纳米粒子自组装形成高度有序结构，再经高温碳化得到高度有序碳包覆四氧化三铁纳米材料。将所得纳米材料酸化，得到高度有序介孔碳结构。并且，若将纳米材料部分酸化处理，可以得到磁性介孔碳材料，可应用于医药载体，废水处理等领域。本发明具有以下优点，一方面材料高度有序，比表面积大，介孔碳材料孔径及形貌可通过四氧化三铁粒子粒径及形貌来控制；另一方面，与传统模板法相比，本材料制备方法易行，工序简单，成本较低；同时，由于所用模板为磁性材料，在少量刻蚀的情况下可以同时具有介孔碳及磁性材料两种性能，应用领域更加广泛。
Claims (5)
1.一种高度有序介孔碳材料的制备方法，其特征在于具体步骤如下：
（1）将纳米粒子前驱体油酸铁在油酸的作用下在高沸点溶剂中进行高温裂解，得到不同粒径和形貌的四氧化三铁纳米粒子，其表面包覆有油酸分子；
（2）将所得纳米粒子溶于正己烷中，再蒸掉正己烷，得到具有高度有序结构的纳米粒子阵列；
（3）将所得纳米粒子阵列在氮气或氩气下在300℃以上煅烧，使得表面包覆的油酸分子碳化，得到高度有序排列的四氧化三铁纳米粒子，所得纳米粒子表面包覆有碳层包覆；
（4）将所得纳米粒子用酸刻蚀，得到具有高比表面积的介孔碳材料；
其中，所述油酸铁前驱体高温裂解温度为320℃至330℃，使用的溶剂为十六烯、辛醚、十八烯或二十烯，反应时间为30—90分钟。
2.根据权利要求1所述的高度有序介孔碳材料的制备方法，其特征在于所述四氧化三铁纳米粒子制备过程中，油酸浓度为1.5mM~4.5mM。
3.根据权利要求2所述的高度有序介孔碳材料的制备方法，其特征在于所述四氧化三铁纳米粒子粒径为8~20nm。
4.根据权利要求3所述的高度有序介孔碳材料的制备方法，其特征在于所述煅烧温度为300~600℃，煅烧时间为2-4小时。
5.由权利要求1-4之一所述制备方法制备得到的高度有序介孔碳材料。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201410346175.8A CN104163414B (zh) | 2014-07-21 | 2014-07-21 | 一种高度有序介孔碳材料的制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201410346175.8A CN104163414B (zh) | 2014-07-21 | 2014-07-21 | 一种高度有序介孔碳材料的制备方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN104163414A CN104163414A (zh) | 2014-11-26 |
| CN104163414B true CN104163414B (zh) | 2016-02-24 |
Family
ID=51907423
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201410346175.8A Active CN104163414B (zh) | 2014-07-21 | 2014-07-21 | 一种高度有序介孔碳材料的制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN104163414B (zh) |
Families Citing this family (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105129765A (zh) * | 2015-07-22 | 2015-12-09 | 复旦大学 | 一种高度有序介孔碳球及其制备方法 |
| CN105253877A (zh) * | 2015-11-10 | 2016-01-20 | 青岛昊鑫新能源科技有限公司 | 一种三维连通有序介孔石墨烯球的制备方法 |
| CN105417524B (zh) * | 2015-12-03 | 2017-07-28 | 青岛昊鑫新能源科技有限公司 | 一种高度有序可控层厚的介孔石墨烯的制备方法 |
| CN105293480A (zh) * | 2015-12-03 | 2016-02-03 | 青岛昊鑫新能源科技有限公司 | 一种二维有序介孔石墨烯骨架薄膜材料的制备方法 |
| CN105439121A (zh) * | 2015-12-17 | 2016-03-30 | 复旦大学 | 一种三维有序方形孔介孔碳骨架材料的制备方法 |
| CN105565293A (zh) * | 2015-12-17 | 2016-05-11 | 复旦大学 | 一种二维有序介孔碳骨架薄膜材料的制备方法 |
| CN108722352B (zh) * | 2018-05-25 | 2020-12-18 | 陕西凯蓝环保科技有限公司 | 一种吸附环境一氧化碳的大孔炭基材料及其制备方法 |
| CN111234776B (zh) * | 2020-01-20 | 2021-05-04 | 东华大学 | 一种实心Fe3O4@C超结构微球吸波材料及其制备方法和应用 |
| CN112675832B (zh) * | 2021-01-07 | 2022-05-31 | 东华大学 | 一种二氧化碳还原有序介孔催化材料及其制备方法 |
| CN113277567B (zh) * | 2021-06-16 | 2022-09-13 | 哈尔滨工业大学 | 一种介观有序排布且被碳包覆的四氧化三铁纳米复合材料的制备方法及应用 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1425606A (zh) * | 2003-01-09 | 2003-06-25 | 复旦大学 | 双向连通、三维立方结构的有序纳米介孔碳材料及其制备方法 |
| CN101486459A (zh) * | 2008-11-24 | 2009-07-22 | 南开大学 | 大块状有序介孔碳材料及其制备方法 |
-
2014
- 2014-07-21 CN CN201410346175.8A patent/CN104163414B/zh active Active
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1425606A (zh) * | 2003-01-09 | 2003-06-25 | 复旦大学 | 双向连通、三维立方结构的有序纳米介孔碳材料及其制备方法 |
| CN101486459A (zh) * | 2008-11-24 | 2009-07-22 | 南开大学 | 大块状有序介孔碳材料及其制备方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Simple synthesis of graphitic ordered mesoporous carbon supports using natural seed fat;Yangang Wang et al.;《Journal of Materials Chemistry》;20110819;第21卷;14420–14423 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN104163414A (zh) | 2014-11-26 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN104163414B (zh) | 一种高度有序介孔碳材料的制备方法 | |
| CN104860306B (zh) | 一种高度有序介孔石墨烯材料的制备方法 | |
| Zhao et al. | Biomass-derived porous carbon-based nanostructures for microwave absorption | |
| Zhang et al. | Poly (vinyl alcohol)-assisted fabrication of hollow carbon spheres/reduced graphene oxide nanocomposites for high-performance lithium-ion battery anodes | |
| Yu et al. | Synthesis and characterization of porous magnesium hydroxide and oxide nanoplates | |
| Zhang et al. | In situ stringing of metal organic frameworks by SiC nanowires for high-performance electromagnetic radiation elimination | |
| Zhang et al. | Thermal conversion of an Fe 3 O 4@ metal–organic framework: a new method for an efficient Fe–Co/nanoporous carbon microwave absorbing material | |
| Kim et al. | Morphology controllable synthesis of γ-alumina nanostructures via an ionic liquid-assisted hydrothermal route | |
| Yan et al. | Facile synthesis of porous microspheres composed of TiO2 nanorods with high photocatalytic activity for hydrogen production | |
| CN105368045B (zh) | 石墨烯‑聚吡咯复合气凝胶及其制备方法与应用 | |
| CN104163453B (zh) | 一种高度有序纳米颗粒超晶格材料的制备方法 | |
| Kang et al. | Hyper-cross-linked polymers-derived porous tubular carbon nanofibers@ TiO2 toward a wide-band and lightweight microwave absorbent at a low loading content | |
| Tong et al. | Generalized green synthesis and formation mechanism of sponge-like ferrite micro-polyhedra with tunable structure and composition | |
| Yan et al. | Synthesis and magnetic properties of CoFe2O4 nanoparticles confined within mesoporous silica | |
| CN108530073A (zh) | 一种柔性自支撑三维多孔石墨烯膜的制备方法 | |
| CN105417524A (zh) | 一种高度有序可控层厚的介孔石墨烯的制备方法 | |
| Ma et al. | Porous structure to improve microwave absorption properties of lamellar ZnO | |
| CN105253877A (zh) | 一种三维连通有序介孔石墨烯球的制备方法 | |
| CN105293479A (zh) | 一种三维有序方形孔介孔石墨烯骨架材料的制备方法 | |
| CN105293480A (zh) | 一种二维有序介孔石墨烯骨架薄膜材料的制备方法 | |
| Wang et al. | Superwetting monolithic carbon with hierarchical structure as supercapacitor materials | |
| Quan et al. | Enhanced electromagnetic wave response of nickel nanoparticles encapsulated in nanoporous carbon | |
| CN105129765A (zh) | 一种高度有序介孔碳球及其制备方法 | |
| CN107032329A (zh) | 一种纳米-微米分级孔道结构的三维石墨烯及其制备方法 | |
| CN105565293A (zh) | 一种二维有序介孔碳骨架薄膜材料的制备方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Dong Angang Inventor after: Yang Dong Inventor after: Jiao Yucong Inventor after: Ding Yi Inventor after: Liu Limin Inventor after: Yan Qunfang Inventor after: Hu Jianhua Inventor before: Dong Angang Inventor before: Yang Dong Inventor before: Jiao Yucong Inventor before: Ding Yi Inventor before: Liu Limin Inventor before: Hu Jianhua |
|
| COR | Change of bibliographic data | ||
| GR01 | Patent grant |