CN111217351B - 一种激光烧蚀法制备磁性多孔碳的方法 - Google Patents

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Abstract

一种激光烧蚀法制备磁性多孔碳的方法，该方法是以金属有机骨架材料为前驱体，利用激光烧蚀工艺直接在空气氛围中对金属有机骨架材料进行快速有效碳化，从而制备得到具有磁性多孔碳复合物。本发明制备磁性多孔碳具有工艺简单、快速可控、无需外加惰性保护气体的优点。

Description

一种激光烧蚀法制备磁性多孔碳的方法
技术领域
本发明涉及金属有机骨架材料碳化技术，属于碳材料制造领域，具体涉及一种利用激光烧蚀金属有机骨架材料制备磁性多孔碳的方法。
背景技术
碳元素是自然界最为常见的元素之一，碳材料的种类丰富、性能优良，几乎涵盖了物质的各种极端特性，如绝缘-超导，绝热-超导热、吸光-全透光等。由于碳材料的突出性能，其在吸附、分离、储能、催化等领域中均具有重要贡献。考虑到社会经济效益的最大化，简单高效的碳材料制备方法成为人们长期以来的研究目标。此外，复合碳材料由于兼具碳材料和其他优势材料的特性也被广泛研究，如碳硅复合物和碳磁复合物等。
其中，磁性碳材料具有碳的优异吸附性能和磁性材料的磁可控性，已经被应用到环境污染物的吸附回收处理、生物样品前处理、靶向药物运输和电磁波吸收等领域中。但目前制备磁性碳材料方法仍较为繁琐，需要先制备碳材料再负载磁性材料，或者先制备磁性材料再包裹上碳材料，甚至需要经过进一步高温等步骤的处理。含磁性金属元素的金属有机骨架材料的直接碳化为制备磁性碳材料提供了一种简单可行的途径，且金属有机骨架材料前驱体的有序孔道结构碳化后可以有效形成多孔碳，其高比表面积有利于后续的应用。但是，目前常规以金属骨架材料为前驱体制备碳材料的方法均采用惰性氛围下加热碳化的方式，步骤繁琐且耗时较长，诸如需要通入惰性气体起保护作用、设置升温程序长时间加热和缓慢的降温冷却的步骤。因此，需要提供一种新型的金属有机骨架材料碳化方法制备磁性多孔碳，无需惰性氛围保护和长时间高温处理，以提高其制备效率、降低制备成本、减少制备时间和能耗。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，提供一种激光烧蚀法制备磁性多孔碳的方法。
该方法是以含有磁性金属元素的金属有机骨架材料为原料，将其平铺放置在激光刻蚀机的工作平台上，在空气氛围下通过激光对沿激光垂直方向的材料快速照射，制备得到磁性多孔碳材料。
本发明提供了上述激光烧蚀法制备磁性多孔碳的方法，其特征在于：
所述含有磁性金属元素的金属有机骨架材料为含Fe、Co、Ni中一种或二种以上的金属离子和对苯二甲酸、2-氨基对苯二甲酸、均苯三甲酸中一种或二种以上的有机配体组成的材料，材料为颗粒状，其粒径在20nm-500μm；
所述空气氛围指普通大气环境，无需额外保护气体；
所述激光的额定输出功率为0.5-100W(优选2-100W)，光斑直径为5-2000μm，波长为300-900nm；
所述快速照射的线速度为1-1000mm/s(优选50-100mm/s)，照射方式包括矩阵式扫描、Z字形扫描、逐行扫描、间隔扫描中的一种或二种以上，沿激光垂直方向扫描深度为0.01-0.2mm，即沿激光传输方向材料的铺设厚度为0.01-0.2mm。
所述制备得到的磁性多孔碳具有磁性、多孔性的特点。
本发明与现有技术相比具有以下优异效果：
本发明为一种激光烧蚀法制备磁性多孔碳的方法，该制备磁性多孔碳的方法与传统方法相比，具有无需惰性氛围保护，处理时间短，能耗少，设备简单的优势。
附图说明
图1是本发明制备的磁性碳材料透射电子显微镜图。
具体实施方式
下面的实施例将对本发明予以进一步的说明，但本发明并不限于下述实施例。
实施例1
以含有磁性金属元素的金属有机骨架材料为原料，将其平铺放置在激光刻蚀机的工作平台上，在空气氛围下通过激光快速照射，制备得到磁性多孔碳材料。
1、将1g由铁离子和对苯二甲酸(BDC)组装成的铁基金属有机骨架材料(Fe-BDCMOF)研磨均匀后平铺放置在激光刻蚀机的工作平台上，平铺后材料厚度为0.1mm,。
2、准备激光控制软件，做好防护措施确保安全后开启激光。
3、采用低功率激光，调节激光光路和聚焦镜头。
4、设置激光能量0.5W，扫描方式为Z字形扫描和扫描速度50mm/s。
5、启动激光，对工作平台上样品进行烧蚀。
6、收集制备得到的磁性多孔碳，该磁性碳的碳层较为致密，通过磁铁吸引后有较强磁性，其形貌表征如图1所示，呈现相对均匀分布的碳层包覆磁球颗粒的结构，各碳层包覆的磁球紧密排列，碳材料本身以及碳球堆叠的孔隙形成多孔结构。
实施例2～7
在实施例一操作条件的基础上，改变下列条件进行试验：金属有机骨架材料的种类、激光能量和线速度。
实施例2-7与实施例1不同之处见下表：
序号 金属有机骨架材料 激光能量 激光线速度
实例2 Fe-BDC MOF 1W 50mm/s
实例3 Fe-BDC MOF 2W 50mm/s
实例4 Fe-BDC MOF 5W 50mm/s
实例5 Fe-BDC MOF 2W 25mm/s
实例6 Fe-BDC MOF 2W 100mm/s
实例7 Co-BDC MOF 2W 50mm/s
实例7 Ni-BDC MOF 2W 50mm/s
通过磁性测试和透射电子显微镜分别对上述实例中的磁性多孔碳进行测试，铁基金属有机骨架材料(Fe-BDC MOF)经激光烧蚀后的磁性较钴基(Co-BDC MOF)和镍基(Ni-BDCMOF)金属有机骨架相对更强；激光能量2W时对原始材料碳化较完全，形成的碳层较致密，制备得到的磁性多孔碳形貌相对均匀，呈现紧密排列的碳层包覆磁球的均匀颗粒；当激光能量过低时材料碳化效率会降低，而激光能量过高时磁性颗粒分布不均匀，呈现磁性材料团聚成块和碳层厚度覆盖不均；激光线速度越大材料碳化效率降低且磁性下降，线速度过低则磁性颗粒分布不均匀。
将上述方法制得的磁性多孔碳与传统方法合成的普通磁性碳进行比较，该方法制得的磁性多孔碳具有强磁性、多孔结构和高比表面积，且制备过程简单、无需外加惰性气氛，制备过程速度快、节省时间。

Claims (9)

1.一种激光烧蚀法制备磁性多孔碳的方法，其特征在于：以含有磁性金属元素的金属有机骨架材料为原料，将其平铺放置在激光刻蚀机的工作平台上，在空气氛围下通过激光材料进行照射，制备得到磁性多孔碳材料；
所述含有磁性金属元素的金属有机骨架材料为含Fe、Co、Ni中一种或二种以上的金属离子和对苯二甲酸、2-氨基对苯二甲酸、均苯三甲酸中一种或二种以上的有机配体组成的材料。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：材料为颗粒状，其粒径在20 nm-500 μm。
3.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：
所述激光的额定输出功率为0.5-100 W，光斑直径为5-2000 μm，波长为300-900 nm。
4.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：
所述照射的线速度为1-1000 mm/s，照射方式包括矩阵式扫描、Z字形扫描、逐行扫描、间隔扫描中的一种或二种以上。
5.按照权利要求3所述的方法，其特征在于：所述激光的额定输出功率为2-100 W。
6.按照权利要求4所述的方法，其特征在于：所述照射的线速度为50-100 mm/s。
7.按照权利要求1-4任一所述的方法，其特征在于：沿激光传输方向扫描深度为0.01-0.2 mm，即沿激光传输方向材料的铺设厚度为0.01-0.2 mm。
8.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：所述空气氛围指普通大气环境，无需额外保护气体。
9.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：所述制备得到的磁性多孔碳具有磁性、多孔性的特点。
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