CN114291811A - 一种简易碳材料磁化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于磁性碳材料制备领域，具体涉及一种简易碳材料磁化方法。为得到磁化功能颗粒结构稳定、磁性能强度可调的碳包覆磁性纳米颗粒，本发明采用易于挥发的磁化剂原料，包括二茂铁、二茂钴和二茂镍，在一定的温度下会变成蒸汽并在高温下分解形成纳米颗粒，这些分子中的铁、钴、镍变成纳米颗粒，纳米颗粒的种类随升温速率、热处理温度和气氛中含氧量有关，碳包覆的包覆层由这些分子中的碳原子转化而来，这些碳原子被铁钴镍纳米颗粒催化形成石墨烯层包覆碳层，包覆碳层由热处理温度和恒温时间决定。
Description
技术领域
本发明属于磁性碳材料制备领域，具体涉及一种简易碳材料磁化方法。
背景技术
由于现代科技的发展，军事上面临电磁防护、吸波隐身的军事需求，生活中面临电磁辐射污染，亟待开发高效电磁屏蔽材料和吸波材料，因此磁性材料需求也非常旺盛。
磁性碳材料的制备方法目前可以概括为以下5种：共沉淀法、水热法、模板法、浸渍法和碳化金属有机骨架材料法。共沉淀法是指将预先合成好的碳材料，浸溃在磁前驱体溶液中，然后使磁性纳米材料原位沉积在多孔碳材料的孔道中，从而合成磁性碳材料。水热法就是首先将磁源和碳源以—定比例混合均匀置入高压反应釜中，在高温高压的条件下进行水热反应从而得到目标产物。模板法是指以具有特定结构与形貌的物质为模板，以模板分子为主体来对材料的结构与形貌进行构建的一类合成方法，按模板不同可以分为软模板、硬模板和双模板法。模板法制备磁性碳材料时，磁性前驱体可以在碳材料合成中或合成后引入。浸渍法比较简单，直接用碳材料前驱体或生物质的粉末浸渍在磁源前驱体或磁性纳米颗粒分散溶液中，挥发溶剂干燥后直接热处理，再经过活化处理，即可得到磁性碳材料。金属有机骨架材料是由金属离子和有机配体通过配位键结合而自组装形成的一种新型多孔材料，具有发达的孔道、较高的比表面积。既有碳源又有磁源，因此直接碳化金属有机骨架材料成为近年来出现的磁性碳材料的新型合成方法。
发明内容
针对上述问题本发明提供了一种简单高效地将碳材料进行磁化的方法，磁化功能颗粒结构稳定、磁性能强度可调、非常适合大规模生产。
为了达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：
一种简易碳材料磁化方法，包括以下步骤：
步骤1，采用茂金属为磁化剂，与所需处理的碳材料混合均匀，在氧含量为0～22％(体积分数)的气氛下，混合均匀后装入石英罐中，密封好；
步骤2，将密封好的石英罐装入电炉，不需要通保护气氛，采用电炉加热，自然降温至室温，打开密封好的石英罐，收集产品即为在碳材料表面沉积碳包覆磁性纳米颗粒的磁化碳材料。
本发明采用易于挥发的磁化剂原料，包括二茂铁、二茂钴和二茂镍，在一定的温度下会变成蒸汽并在高温下分解形成纳米颗粒，这些分子中的铁、钴、镍变成纳米颗粒，纳米颗粒的种类随升温速率、热处理温度和气氛中含氧量有关，碳包覆的包覆层由这些分子中的碳原子转化而来，这些碳原子被铁钴镍纳米颗粒催化形成石墨烯层包覆碳层，包覆碳层由热处理温度和恒温时间决定。
进一步，所述步骤1中茂金属为二茂铁、二茂镍、二茂钴中的一种或几种按任意比混合的混合物；所述碳材料为纳米碳材料或传统碳材料，所述纳米碳材料包括氧化石墨烯、石墨烯、碳纳米管、富勒烯、中空碳球、纳米碳球、炭黑，所述传统碳材料包括石墨、膨胀石墨、硬碳、软碳、多孔碳材料、碳纤维、碳基复合材料。
进一步，所述步骤1中磁化剂与碳材料的质量比为1:0.1～100。
进一步，所述电炉加热的具体步骤为：1～15℃/min升至650～1000℃，恒温10min～10h，1～10℃/min降温至400℃。
与现有技术相比本发明具有以下优点：
(1)形成的碳包覆磁性纳米颗粒中磁性纳米颗粒为铁钴镍的金属氧化物、单质和金属碳化物单一或几种混合物，碳包覆为1～15层的石墨烯层。而且本发明在实现碳包覆磁性纳米颗粒的担载时，是一步完成的，即所采用的原料在高温处理过程中发生分解，磁性元素形成晶核后，催化周围的碳元素分子与磁性材料结合形成合金物质，然后又析出形成石墨烯结构的碳包覆层。不需要二次包覆，因此可以理解为一次原位热解形成的碳包覆磁性纳米颗粒，非常适合规模化生产。
(2)磁化功能颗粒结构稳定、磁性能强度可调。磁性可以通过加入的磁性原料与基体材料的比例来调控，因此调控起来简单方便。而且这些磁性纳米颗粒外面有碳包覆层的，可以作为保护层，防止外界的空气、二氧化碳和水分或酸碱等物质侵蚀磁性纳米颗粒，比那些裸露在外的金属纳米颗粒，金属氧化物纳米颗粒稳定很多，而且即使是在酸性溶液中也能够使用。而目前很多磁性材料使用的磁性材料都是铁的金属氧化物纳米颗粒或微米颗粒，是不适合在酸性溶液中使用的。
(3)本发明对于气氛没有限制，在各种气氛下都可以实现磁性碳材料的制备，关键是反应容器在高温下保持密闭的即可。装载时若有空气，有利于形成磁性金属氧化物纳米颗粒。不像许多反应必须在惰性气体保护下才可以进行，因此本发明方法简单，磁性可调，磁性稳定，有利于大规模生产。
附图说明
图1为实施例1产物的扫描电镜照片；
图2为实施例1产物的X射线衍射图谱；
图3实施例1产物的透射电镜照片；
图4为实施例1产物的高分辨透射电镜照片；
图5为实施例1产物的磁性能。
具体实施方式
实施例1
一种简易碳材料磁化方法，包括以下步骤：
取1g二茂铁和1g石墨烯在空气气氛(氧含量22％)中直接混合均匀后装入石英罐中，密封好。将密封好的石英罐装入电炉，不需要通保护气氛，采用电炉加热，电炉升温机制为5℃/min升至700℃，恒温2h，10℃/min降温至400℃，然后自然降温至室温。打开密封的石英罐，收集产品即为在碳材料表面沉积碳包覆磁性纳米颗粒的磁化碳材料。
图1为实施例1产物的扫描电镜照片，从图1可以看到石墨烯片层比较完整，以二茂铁为磁性纳米颗粒原料时，热处理后石墨烯片上担载了无数的纳米颗粒，粒径分布约5～50nm。
图2为实施1产物的X射线衍射图谱，对比标准物质卡片可以看到，XRD图谱中的特征峰对应的C0.08Fe1.92，表明样品中的磁性纳米颗粒是C0.08Fe1.92，即对应的标准物质卡片号码为(pdf卡片号44-1291)。
图3为实施例1产物的透射电镜照片，显示出纳米颗粒为5～20nm；二维片层材料表面边缘是蜷曲的，这与常见的石墨烯一致。
图4为实施例1产物的高分辨透射电镜照片，表明透射电镜照片中的黑色颗粒实际上是在纳米颗粒表面还有碳包覆层；磁性纳米颗粒均匀地散落在石墨烯片层表面。
图5为实施例1产物的磁性能，较大的磁滞回线，表明该材料的磁性能较强，在磁场撤掉后依然能保持较高的磁性。
实施例2
一种简易碳材料磁化方法，包括以下步骤：
取1g二茂铁和5g氧化石墨烯在纯氮气气氛(氧含量0％)中直接混合均匀后装入石英罐中，密封好。将密封好的石英罐装入电炉，不需要通保护气氛，采用电炉加热，电炉升温机制为1℃/min升至650℃，恒温10h，5℃/min降温至400℃，然后自然降温至室温。打开密封的石英罐，收集产品即为在碳材料表面沉积碳包覆四氧化三铁纳米颗粒的磁化碳材料。
实施例3
一种简易碳材料磁化方法，包括以下步骤：
取1g二茂铁和0.1g碳纳米管在氧含量为5％的气氛中直接混合均匀后装入石英罐中，密封好。将密封好的石英罐装入电炉，不需要通保护气氛，采用电炉加热，电炉升温机制为10℃/min升至1000℃，恒温10min，10℃/min降温至400℃，然后自然降温至室温。打开密封的石英罐，收集产品即为在碳材料表面沉积碳包覆铁/铁碳纳米颗粒的磁化碳材料。
实施例4
一种简易碳材料磁化方法，包括以下步骤：
取1g二茂钴和100g石墨颗粒在氧含量为10％的气氛中直接混合均匀后装入石英罐中，密封好。将密封好的石英罐装入电炉，不需要通保护气氛，采用电炉加热，电炉升温机制为5℃/min升至800℃，恒温2h，1℃/min降温至400℃，然后自然降温至室温。打开密封的石英罐，收集产品即为在碳材料表面沉积碳包覆二氧化钴纳米颗粒的磁化碳材料。
实施例5
一种简易碳材料磁化方法，包括以下步骤：
取1g二茂镍和10g碳纤维在氧含量为15％的气氛中直接混合均匀后装入石英罐中，密封好。将密封好的石英罐装入电炉，不需要通保护气氛，采用电炉加热，电炉升温机制为5℃/min升至700℃，恒温2h，10℃/min降温至400℃，然后自然降温至室温。打开密封的石英罐，收集产品即为在碳材料表面沉积碳包覆镍纳米颗粒的磁化碳材料。
实施例6
一种简易碳材料磁化方法，包括以下步骤：
取1g二茂铁和30g活性炭在空气中直接混合均匀后装入石英罐中，密封好。将密封好的石英罐装入电炉，不需要通保护气氛，采用电炉加热，电炉升温机制为5℃/min升至900℃，恒温2h，10℃/min降温至400℃，然后自然降温至室温。打开密封的石英罐，收集产品即为在碳材料表面沉积碳包覆铁碳纳米颗粒的磁化碳材料。
实施例7
一种简易碳材料磁化方法，包括以下步骤：
取0.5g二茂铁和0.5g二茂镍和1g纳米碳球在空气中直接混合均匀后装入石英罐中，密封好。将密封好的石英罐装入电炉，不需要通保护气氛，采用电炉加热，电炉升温机制为3℃/min升至700℃，恒温2h，10℃/min降温至400℃，然后自然降温至室温。打开密封的石英罐，收集产品即为在碳材料表面沉积碳包覆镍/铁纳米颗粒的磁化碳材料。
Claims (4)
1.一种简易碳材料磁化方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，采用茂金属为磁化剂，与所需处理的碳材料混合均匀，在氧含量为0～22％的气氛下，混合均匀后装入石英罐中，密封好；
步骤2，将密封好的石英罐装入电炉，不需要通保护气氛，采用电炉加热，自然降温至室温，打开密封好的石英罐，收集产品即为在碳材料表面沉积碳包覆磁性纳米颗粒的磁化碳材料。
2.根据权利要求1所述的一种简易碳材料磁化方法，其特征在于，所述步骤1中茂金属为二茂铁、二茂镍、二茂钴中的一种或几种按任意比混合的混合物；所述碳材料为纳米碳材料或传统碳材料，所述纳米碳材料包括氧化石墨烯、石墨烯、碳纳米管、富勒烯、中空碳球、纳米碳球、炭黑，所述传统碳材料包括石墨、膨胀石墨、硬碳、软碳、多孔碳材料、碳纤维、碳基复合材料。
3.根据权利要求1所述的一种简易碳材料磁化方法，其特征在于，所述步骤1中磁化剂与碳材料的质量比为1:0.1～100。
4.根据权利要求1所述的一种简易碳材料磁化方法，其特征在于，所述电炉加热的具体步骤为：1～15℃/min升至650～1000℃，恒温10min～10h，1～10℃/min降温至400℃。
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