CN104498761A - 一种制备多孔金属铁的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种制备多孔金属铁的方法。本发明特征在于将硝酸铁、甘氨酸、碳源配成溶液；通过溶液中快速发生的氧化还原反应引入无定形碳作为造孔剂，在前驱体粉末中碳与其他成份实现了均匀混合；将前驱体粉末压制成形后在空气中进行适当热处理，造孔剂无定形碳挥发成气体逸出并留下孔隙，得到多孔前驱体；随后，在还原性气氛中将多孔前驱体骨架还原成金属铁，同时通过烧结将骨架固结从而原位保留下多孔前驱体的孔隙结构，最终制备出孔隙结构良好，孔隙尺寸可调，分布均匀的多孔金属铁。本发明设备简单，工艺流程短，效率高，成本低，环境友好，适合规模化工业生产。

Description

一种制备多孔金属铁的方法

技术领域

本发明属于过渡金属多孔材料制备技术领域，具体涉及一种多孔金属铁的制备方法，该方法原料易得、设备简单、工艺流程短、效率高、成本低、适合工业生产。

技术背景

多孔金属是由内部大量具有一定强度的金属骨架和弥散分布其中的大量孔隙所构成的一种低密度小比重的新型功能材料。多孔金属由于内部具有大量的孔隙结构和较大的比表面积，从而在电学、磁学、光学、声学、热力学等方面显示出有别于致密性金属材料的诸多特性，同时多孔金属的网状骨架结构又使其具有基本的金属性质和强度，因此多孔金属兼具结构和功能双重属性，展现出较大的发展潜力和广阔的应用前景，吸引着材料工作者的极大兴趣，愈发成为材料科学领域的研究热点。金属多孔铁是近年来发展起来的一种非常重要的多孔金属材料，具有三维网状孔隙结构，以及孔隙率高，比表面积大，刚度大，吸能缓冲性能好，电磁屏蔽性能高等优异性能，广泛应用于过滤分离、吸附催化、能量吸收、电池电极、热交换、污染治理、反应材料、生物医用等领域。

目前多孔铁的制备方法主要有：熔融金属发泡法、渗流铸造法、粉末冶金法、金属电沉积法以及溅射法等。熔融金属发泡法和渗流铸造法由于需要将金属铁加热到熔点附近或以上，从而导致成本太高，大大限制了其在工业上的规模化生产。粉末冶金法主要通过把不同粒度大小的金属粉末压制成型后烧结来制备多孔金属，依靠颗粒之间的孔隙成孔，该法制备的多孔材料一般脆性较大，这也限制了其在工业上的应用。金属电沉积法已经在制备多孔镍方面实现了工业化，同时也可以用来制备多孔铁及其他多孔金属，但在泡沫模板上电沉积金属要求镀种具有较好的均镀能力和深镀能力，尤其是在制备微米多孔金属方面，因此这也给工业生产带来困难。溅射法虽能制备较好孔隙结构的多孔金属，但其条件苛刻，设备复杂，成本较高。因此，为了避免上述方法的不足，寻找一种既能够制备出良好孔隙结构，同时又简单、高效、成本低的方法成为当务之急。

发明内容

本发明针对现有方法的不足，特别提供一种制备多孔金属铁的方法，该方法采用一种新型造孔剂引入法来制备多孔金属铁。此方法新颖独特、原料易得、设备简单、工艺流程短、效率高、成本低、适合工业生产。

本发明特征在于将硝酸铁、甘氨酸、碳源配成溶液；通过溶液中快速发生的氧化还原反应引入无定形碳作为造孔剂，在前驱体粉末中碳与其他各成份实现了均匀混合；将前驱体粉末压制成形后在空气中进行适当热处理，造孔剂无定形碳挥发成气体逸出并留下孔隙，得到多孔前驱体；随后，在还原气氛中经过一定温度和时间的反应，多孔前驱体骨架还原成金属铁，同时通过烧结将骨架固结从而原位保留下多孔前驱体的孔隙结构，最终制备出孔隙结构良好，尺寸可调，分布均匀的多孔金属铁。

本发明特征在于包括以下步骤：

1)溶液配制：将硝酸铁、甘氨酸、碳源按照一定配比溶入去离子水中，配成溶液，其中硝酸铁与甘氨酸的摩尔比为1:(0.5～4)，硝酸铁与碳源的摩尔比为1:(0.5～5)；

2)前驱体的制备：将溶液加热，随后溶液挥发、浓缩、分解，得到前驱体粉末；

3)多孔前驱体的制备：将前驱体粉末压制成胚体，压力为10MPa,保压2min，在空气气氛下，将胚体置于炉内，升温速度为5℃/min,在400～800℃热处理0.5～2h，得到多孔前驱体；

4)多孔金属铁的制备：将多孔前驱体置于炉内，通入还原性气氛，升温速度为10℃/min，在600～1000℃还原2～4h，得到多孔金属铁。

步骤1)所述碳源为葡萄糖、蔗糖、麦芽糖、可溶性淀粉、柠檬酸中至少一种。

步骤4)所述还原性气氛为氢气、分解氨中至少一种。

该方法具有以下优点：

1)利用溶液中快速发生的氧化还原反应引入造孔剂，在十几分钟内简便快捷地制备出前驱体粉末；

2)利用液相混合各原料，可实现碳与其他成份在原子水平上的均匀混合，有利于造孔剂无定形碳的均匀分布，最终获得分布均匀的孔隙结构；

3)前驱体反应活性高，可降低还原反应温度，提高反应速度；

4)所制备的多孔金属铁孔隙结构良好，孔隙分布均匀；

5)可以通过改变原料种类、配比以及还原温度和时间来调节孔隙尺寸；

6)设备简单，工艺流程短，效率高，成本低，适合规模化工业生产。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的阐述，应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后本领域技术人员可以对本发明做各种改动或修改，这些等价操作同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围内。

实施例1：

称取硝酸铁0.025摩尔、甘氨酸0.075摩尔、葡萄糖(碳源)0.04摩尔，将各种原料溶于去离子水中，配制成溶液；将溶液置于可控温电炉上进行加热，溶液经历挥发、浓缩、分解等一系列反应后，得到前驱体粉末；将前驱体粉末压制成胚体，压力为10MPa,保压2min，在空气中，将胚体置于管式炉内，升温速度为5℃/min，在500℃热处理1h，随炉冷却到室温，得到多孔前驱体；随后，向管式炉内通入氢气，升温速度为10℃/min，在800℃保温1h，得到多孔金属铁，所得多孔金属铁孔隙率为75％。

实施例2：

称取硝酸铁0.025摩尔、甘氨酸0.07摩尔、蔗糖(碳源)0.025摩尔，将各种原料溶于去离子水中，配制成溶液；将溶液置于可控温电炉上进行加热，溶液经历挥发、浓缩、分解等一系列反应后，得到前驱体粉末；将前驱体粉末压制成胚体，压力为10MPa,保压2min，在空气中，将胚体置于管式炉内，升温速度为5℃/min，在600℃热处理1h，随炉冷却到室温，得到多孔前驱体；随后，向管式炉内通入氢气，升温速度为10℃/min，在800℃保温2h，得到多孔金属铁，所得多孔金属铁孔隙率为72％。

实施例3：

称取硝酸铁0.025摩尔、甘氨酸0.08摩尔、麦芽糖(碳源)0.03摩尔，将各种原料溶于去离子水中，配制成溶液；将溶液置于可控温电炉上进行加热，溶液经历挥发、浓缩、分解等一系列反应后，得到前驱体粉末；将前驱体粉末压制成胚体，压力为10MPa,保压2min，在空气中，将胚体置于管式炉内，升温速度为5℃/min，在600℃热处理2h，随炉冷却到室温，得到多孔前驱体；随后，向管式炉内通入氢气，升温速度为10℃/min，在900℃保温1h，得到多孔金属铁，所得多孔金属铁孔隙率为65％。

实施例4：

称取硝酸铁0.025摩尔、甘氨酸0.06摩尔、可溶性淀粉(碳源)0.02摩尔，将各种原料溶于去离子水中，配制成溶液；将溶液置于可控温电炉上进行加热，溶液经历挥发、浓缩、分解等一系列反应后，得到前驱体粉末；将前驱体粉末压制成胚体，压力为10MPa,保压2min，在空气中，将胚体置于管式炉内，升温速度为5℃/min，在700℃热处理1h，随炉冷却到室温，得到多孔前驱体；随后，向管式炉内通入氢气，升温速度为10℃/min，在900℃保温2h，得到多孔金属铁，所得多孔金属铁孔隙率为58％。

实施例5：

称取硝酸铁0.025摩尔、甘氨酸0.065摩尔、可溶性淀粉(碳源)0.02摩尔，将各种原料溶于去离子水中，配制成溶液；将溶液置于可控温电炉上进行加热，溶液经历挥发、浓缩、分解等一系列反应后，得到前驱体粉末；将前驱体粉末压制成胚体，压力为10MPa,保压2min，在空气中，将胚体置于管式炉内，升温速度为5℃/min，在700℃热处理2h，随炉冷却到室温，得到多孔前驱体；随后，向管式炉内通入氢气，升温速度为10℃/min，在800℃保温2h，得到多孔金属铁，所得多孔金属铁孔隙率为77％。

Claims (3)

1.一种制备多孔金属铁的方法，其特征在于包括如下步骤：

1)溶液配制：将硝酸铁、甘氨酸、碳源按照一定配比溶入去离子水中，配成溶液,其中硝酸铁与甘氨酸的摩尔比为1:(0.5～4)，硝酸铁与碳源的摩尔比为1:(0.5～5)；

2)前驱体的制备：将步骤1)配制的溶液加热，溶液挥发、浓缩、分解，得到前驱体粉末；

3)多孔前驱体的制备：将步骤2)制备的前驱体粉末压制成胚体，压力为10MPa,保压2min，在空气气氛中，将胚体置于炉内，升温速度为5℃/min,在400～800℃热处理0.5～2h，得到多孔前驱体；

4)多孔金属铁的制备：将步骤3)制备的多孔前驱体置于炉内，通入还原性气氛，升温速度为10℃/min,在600～1000℃还原2～4h，得到多孔金属铁。

2.根据权利要求1所述的制备多孔金属铁的方法，其特征在于步骤1)中碳源为葡萄糖、蔗糖、麦芽糖、可溶性淀粉、柠檬酸中至少一种。

3.根据权利要求1所述的制备多孔金属铁的方法，其特征在于步骤4)中还原性气氛为氢气、分解氨中至少一种。