CN109468121A - 一种氮掺杂类球形磁性多孔碳颗粒的制备方法 - Google Patents

一种氮掺杂类球形磁性多孔碳颗粒的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种氮掺杂类球形磁性多孔碳颗粒的制备方法，将钴盐、三聚氰胺、尿素共溶于乙醇中，在搅拌下进行热辅助溶剂快速挥发，实现三种原料的均匀混合，将块状前驱体进行粉碎研磨，随后借助两次梯度高温煅烧过程实现有机物碳化和钴离子热还原，经机械研磨得到氮掺杂类球形磁性多孔碳颗粒。这种氮掺杂类球形磁性多孔碳颗粒具有高含氮量、高比表面积、以及良好的磁损耗和电损耗性能，在吸波领域有潜在的应用价值。

Description

一种氮掺杂类球形磁性多孔碳颗粒的制备方法
技术领域
本发明属于吸波材料领域，涉及一种氮掺杂类球形磁性多孔碳颗粒的制备方法。
背景技术
随着科学技术的发展，电磁波已经深入应用到民用和军用中的各个领域，包括通信、医疗、航空航天等方面。在给人们带来极大便利的同时，也产生了严重的电磁辐射污染，恶化的电磁环境不仅会干扰电子仪器、设备的正常工作，同时也影响人们的身体健康。在国防领域，雷达波的探测与吸收是提高军事防卫打击能力、实现隐身的关键。在电磁波泄漏处理和军事隐身方面，吸波材料受到广泛关注并成为吸波领域的焦点。
碳材料具有良好的介电性能，被广泛用作吸波剂，但碳材料损耗机制较为单一，致使吸波性能受到一定限制。复合磁性材料是提升碳材料吸波性能最为直接、有效的手段，能够赋予碳材料磁损耗特性、提升阻抗匹配、拓宽吸收带宽、增加吸收强度。作为复合材料组分之一的碳的形式很多，包括碳球(ZL201610268827.X)、碳纤维(ZL201410057355.4)、天然原料碳化物(ZL201611105976.0、ZL201510755133.4)等，研究最多的当属碳纳米管(ZL201410118052.9、ZL201210429586.4、ZL201210449617.2)。磁性组分主要是铁、钴、镍单质、氧化物及合金(ZL201510658232.0、ZL201110211179.1)等。同时，氮掺杂被发现可以提高碳材料的吸波性能(ZL201510867689.2)。目前，制备磁性碳材料的方法很多，但尚未见到利用钴盐、三聚氰胺、尿素通过共溶、快速挥发复合后高温煅烧制备氮掺杂类球形磁性多孔碳颗粒的报道。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种氮掺杂类球形磁性多孔碳颗粒的制备方法。
技术方案
一种氮掺杂类球形磁性多孔碳颗粒的制备方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：称取钴盐、三聚氰胺、尿素加入装有乙醇中，磁力搅拌使其充分溶解，得到溶液；所述钴盐∶三聚氰胺∶尿素的摩尔比为1∶2～4∶0.2～0.6；
步骤2：将溶液的容器置于集热式磁力搅拌器上，将体系升温至80-100℃，搅拌下进行溶剂挥发，直至溶剂挥发完全，得到蓝色块状固体；
步骤3：研磨蓝色块状固体得到蓝色粉末，并将其装入石英舟，在真空管式炉中进行第一次碳化，得到中间体，其中碳化温度为450～550℃，碳化时间为2～4h；
步骤4：将得到的中间体研磨后，进行第二次碳化，碳化温度为700～900℃，碳化时间为2～4h，随炉冷却，得到氮掺杂类球形磁性多孔碳颗粒。
所述钴盐为钴的盐酸盐、硝酸盐、硫酸盐、醋酸盐及其水合物的一种或几种的任意比混合。
所述钴盐中钴离子的浓度为0.2～0.4mol·L-1。
有益效果
本发明提出的一种氮掺杂类球形磁性多孔碳颗粒的制备方法，将钴盐、三聚氰胺、尿素共溶于乙醇中，在搅拌下进行热辅助溶剂快速挥发，实现三种原料的均匀混合，将块状前驱体进行粉碎研磨，随后借助两次梯度高温煅烧过程实现有机物碳化和钴离子热还原，经机械研磨得到氮掺杂类球形磁性多孔碳颗粒。这种氮掺杂类球形磁性多孔碳颗粒具有高含氮量、高比表面积、以及良好的磁损耗和电损耗性能，在吸波领域有潜在的应用价值。
本发明利用钴盐、三聚氰胺、尿素通过共溶、快速挥发复合后高温煅烧的方法制备得到了氮掺杂类球形磁性多孔碳颗粒，制备过程以乙醇为溶剂，具有挥发速度快、对反应物溶解性强、最终得到的中间产物中原料混溶性好等特点。制备过程中除三聚氰胺提供氮元素外，还引入了尿素，可以一步实现高的氮掺杂。三聚氰胺、尿素的高温分解使得磁性多孔碳颗粒具有更高的表面积，产生的气体对摇铃状结构的形成至关重要。摇铃状形貌、高氮含量、高比表面积均有利于吸附和吸波性能的提高。
附图说明
图1是氮掺杂类球形磁性多孔碳颗粒制备过程示意图
图2是氮掺杂类球形磁性多孔碳颗粒的SEM照片
图3是氮掺杂类球形磁性多孔碳颗粒的BET曲线(A)和孔径分布曲线(B)
图4是氮掺杂类球形磁性多孔碳颗粒的磁响应性曲线
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
实施例1：氮掺杂类球形磁性多孔碳颗粒的制备
称取CoCl2·6H2O 4.76g、三聚氰胺5.04g、尿素0.24g加入装有100mL乙醇的烧杯中，磁力搅拌使其充分溶解，得到溶液。将盛有溶液的烧杯置于集热式磁力搅拌器上，将体系升温至80℃，搅拌下进行溶剂挥发，直至溶剂挥发完全，得到蓝色块状固体。研磨蓝色块状固体得到蓝色粉末，并将其装入石英舟，在真空管式炉中进行第一次碳化，得到中间体，其中碳化温度为450℃，碳化时间为3h。将得到的中间体研磨后，进行第二次碳化，碳化温度为800℃，碳化时间为2h，随炉冷却，得到产品经研磨，即得到氮掺杂类球形磁性多孔碳颗粒。
实施例2：氮掺杂类球形磁性多孔碳颗粒的制备
称取CoCl2·6H2O 7.14g、三聚氰胺11.35g、尿素0.54g加入装有100mL乙醇的烧杯中，磁力搅拌使其充分溶解，得到溶液。将盛有溶液的烧杯置于集热式磁力搅拌器上，将体系升温至85℃，搅拌下进行溶剂挥发，直至溶剂挥发完全，得到蓝色块状固体。研磨蓝色块状固体得到蓝色粉末，并将其装入石英舟，在真空管式炉中进行第一次碳化，得到中间体，其中碳化温度为500℃，碳化时间为4h。将得到的中间体研磨后，进行第二次碳化，碳化温度为700℃，碳化时间为4h，随炉冷却，得到产品经研磨，即得到氮掺杂类球形磁性多孔碳颗粒。
实施例3：氮掺杂类球形磁性多孔碳颗粒的制备
称取Co(NO3)2·6H2O 17.46g、三聚氰胺30.27g、尿素0.72g加入装有150mL乙醇的烧杯中，磁力搅拌使其充分溶解，得到溶液。将盛有溶液的烧杯置于集热式磁力搅拌器上，将体系升温至80℃，搅拌下进行溶剂挥发，直至溶剂挥发完全，得到蓝色块状固体。研磨蓝色块状固体得到蓝色粉末，并将其装入石英舟，在真空管式炉中进行第一次碳化，得到中间体，其中碳化温度为550℃，碳化时间为3h。将得到的中间体研磨后，进行第二次碳化，碳化温度为700℃，碳化时间为4h，随炉冷却，得到产品经研磨，即得到氮掺杂类球形磁性多孔碳颗粒。
实施例4：氮掺杂类球形磁性多孔碳颗粒的制备
称取Co(NO3)2·6H2O 5.82g、三聚氰胺7.57g、尿素0.24g加入装有50mL乙醇的烧杯中，磁力搅拌使其充分溶解，得到溶液。将盛有溶液的烧杯置于集热式磁力搅拌器上，将体系升温至80℃，搅拌下进行溶剂挥发，直至溶剂挥发完全，得到蓝色块状固体。研磨蓝色块状固体得到蓝色粉末，并将其装入石英舟，在真空管式炉中进行第一次碳化，得到中间体，其中碳化温度为500℃，碳化时间为4h。将得到的中间体研磨后，进行第二次碳化，碳化温度为750℃，碳化时间为4h，随炉冷却，得到产品经研磨，即得到氮掺杂类球形磁性多孔碳颗粒。
实施例5：氮掺杂类球形磁性多孔碳颗粒的制备
称取CoSO4·7H2O 7.87g、三聚氰胺14.13g、尿素1.01g加入装有80mL乙醇的烧杯中，磁力搅拌使其充分溶解，得到溶液。将盛有溶液的烧杯置于集热式磁力搅拌器上，将体系升温至90℃，搅拌下进行溶剂挥发，直至溶剂挥发完全，得到蓝色块状固体。研磨蓝色块状固体得到蓝色粉末，并将其装入石英舟，在真空管式炉中进行第一次碳化，得到中间体，其中碳化温度为550℃，碳化时间为2h。将得到的中间体研磨后，进行第二次碳化，碳化温度为850℃，碳化时间为4h，随炉冷却，得到产品经研磨，即得到氮掺杂类球形磁性多孔碳颗粒。
实施例6：氮掺杂类球形磁性多孔碳颗粒的制备
称取Co(CH3COO)2·4H2O 7.47g、三聚氰胺7.57g、尿素0.72g加入装有120mL乙醇的烧杯中，磁力搅拌使其充分溶解，得到溶液。将盛有溶液的烧杯置于集热式磁力搅拌器上，将体系升温至100℃，搅拌下进行溶剂挥发，直至溶剂挥发完全，得到蓝色块状固体。研磨蓝色块状固体得到蓝色粉末，并将其装入石英舟，在真空管式炉中进行第一次碳化，得到中间体，其中碳化温度为500℃，碳化时间为3h。将得到的中间体研磨后，进行第二次碳化，碳化温度为700℃，碳化时间为4h，随炉冷却，得到产品经研磨，即得到氮掺杂类球形磁性多孔碳颗粒。

Claims (3)

1.一种氮掺杂类球形磁性多孔碳颗粒的制备方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：称取钴盐、三聚氰胺、尿素加入装有乙醇中，磁力搅拌使其充分溶解，得到溶液；所述钴盐∶三聚氰胺∶尿素的摩尔比为1∶2～4∶0.2～0.6；
步骤2：将溶液的容器置于集热式磁力搅拌器上，将体系升温至80-100℃，搅拌下进行溶剂挥发，直至溶剂挥发完全，得到蓝色块状固体；
步骤3：研磨蓝色块状固体得到蓝色粉末，并将其装入石英舟，在真空管式炉中进行第一次碳化，得到中间体，其中碳化温度为450～550℃，碳化时间为2～4h；
步骤4：将得到的中间体研磨后，进行第二次碳化，碳化温度为700～900℃，碳化时间为2～4h，随炉冷却，得到氮掺杂类球形磁性多孔碳颗粒。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述钴盐为钴的盐酸盐、硝酸盐、硫酸盐、醋酸盐及其水合物的一种或几种的任意比混合。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述钴盐中钴离子的浓度为0.2～0.4mol·L-1。
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