CN115745007B - 一种磁性碳纳米复合材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于碳材料技术领域，具体涉及一种磁性碳纳米复合材料的制备方法。本发明提供了一种以碳包覆四氧化三铁纳米颗粒为主要成分的气相合成方法，可解决当前磁性碳材料生产过程中产生废气废水、工艺复杂等问题。该方法主要是以二茂铁为原料，利用高温下碲粉挥发产生的蒸汽来催化促进气相二茂铁分子的分解。通过惰性气氛中对升温机制的简单调控，可实现基于二茂铁原料的磁性纳米碳材料的提质增效。本方法工艺路线简单，设备要求低，无废水废气排放，易于规模化制备和生产。
Description
技术领域
本发明属于碳材料技术领域，具体涉及一种磁性碳纳米复合材料的制备方法。
背景技术
功能碳材料在我们日常生活及国防军工等领域占据着重要的地位。磁性碳材料作为一种重要的功能型碳材料，在电磁屏蔽、吸波、有机污染物吸附回收、催化、生物医学以及能量转化与存储等诸多方面都有着广泛的应用前景和开发潜力。其中，磁性成分在碳材料中的纳米级均匀分散是该类材料得以展现高性能和优良稳定性的关键。一方面，纳米化使得磁性成分的功能得到充分发挥；另一方面，碳载体或碳包覆的存在对纳米粒子起到锚定作用，从而避免或很大程度上消除了纳米粒子在使用过程中的团聚现象，进而改善了操作稳定性。
以四氧化三铁为磁性成分的磁性碳材料已见诸多报道，用途广泛。目前的制备方法大多集中在与石墨烯、碳纳米管、活性碳等载体的复合，以及树脂、葡萄糖等有机物为前躯体的碳层在四氧化三铁纳米颗粒表面的包覆等。而相应的制备方法多以液相法为主，如共沉淀法、溶胶凝胶法、水热法、电泳沉积法等。此外，喷雾热解法、电纺法和化学气相沉积法也见报道。综合当前现状来看，液相法在实际生产过程中会产生大量的工业废水，存在一定的环保压力，而已有的非液相制备技术在实际实施过程中不同程度地存在设备要求高、工艺复杂或能耗高等难题。
发明内容
基于上述背景，本发明针对当前磁性碳材料制备过程繁琐、产生废气废水等污染物及能耗高的问题，提供一种简单的气相途径来制备易规模化的、低成本的磁性碳纳米复合材料。
为实现上述目的，本发明是通过以下技术方案来实现：
一种磁性碳纳米复合材料的制备方法，其是利用碲蒸汽来催化促进二茂铁分子的分解，一步气相合成以碳包覆四氧化三铁纳米颗粒为主的磁性碳纳米复合材料。所述方法的具体步骤为：
步骤1：按比例称取二茂铁和碲粉，将二茂铁铺在反应釜底部，碲粉置于氧化锆坩埚中并放入反应釜，于惰性气氛保护下密封后作加热处理；
步骤2：收集反应釜底部及附着在釜壁的黑色产物，置于管式炉中，于惰性气氛下作加热处理，即得所述磁性碳纳米复合材料。
进一步地，所述二茂铁和碲粉的质量比为（0.1-3）:1。
进一步地，所述二茂铁和碲粉的粒度为50微米以下。
进一步地，所述步骤1中加热处理的升温机制为：先以1-5℃/分钟的速率升温至450-550℃，停留0.5-2小时，再以5-10℃/分钟的速率继续升温至650-900℃，恒温1-5 小时，自然冷却至室温。
进一步地，所述步骤2中加热处理的升温机制为：以5-10℃/分钟的速率升温至600-900℃，恒温1-5小时。
进一步地，所述惰性气氛为氮气、氩气或氦气。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
本发明以廉价的二茂铁为原料，通过简单的一步气相法来实现磁性碳纳米复合材料的合成。正常情况下，密闭惰性气氛中二茂铁高温分解产生固体磁性碳材料的收率很低，且得到的产物纯度不高，进而使得基于二茂铁原料来进行磁性碳材料的生产可行性不佳。为解决这一问题，本发明提供一种显著提高二茂铁热解产生磁性碳材料收率的新途径，具体为：在二茂铁热解过程中引入碲粉，基于碲粉高温下易熔融挥发的物性，利用挥发的碲蒸汽对高温下升华的二茂铁分子的催化作用来促进二茂铁向固态磁性碳材料的转变。本发明得到的磁性碳材料的主要成分为碳包覆的四氧化三铁纳米颗粒。这些磁性纳米颗粒超小的粒度、碳包覆层的保护以及高的纯度使本发明得到的磁性碳材料具有高的活性、强的磁性和性能稳定性，材料品质优良。
附图说明
图1为本发明实施例1制得的磁性碳纳米复合材料的X射线衍射图样。
图2为本发明实施例1制得的磁性碳纳米复合材料的扫描电镜照片。
实施方式
为了便于理解本发明，下面将对本发明进行更全面的描述。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
实施例1
第一步：按照质量比为0.1:1的比例分别称取二茂铁和碲粉，二茂铁和碲粉的粒度为50微米。将二茂铁铺在高温反应釜的底部，碲粉置于氧化锆坩埚中并放入高温反应釜。将装料完成后的高温反应釜在惰性气氛保护下密封后作加热处理，其升温机制为：先以3℃/分钟的速率升温至550℃，停留1小时后，再以5℃/分钟的速率继续升温至900℃，恒温1 小时后自然冷却至室温。
第二步：收集反应釜底部及附着在釜壁的黑色产物，置于管式炉中，惰性气氛下以5℃/分钟的速率升温至900℃，恒温1小时以去除残留杂质，最终得到的蓬松粉体即为所述的磁性碳纳米复合材料，产率约为35%。
图1为本实施例所制得的磁性碳纳米复合材料的X射线衍射图样，由图可知，该磁性碳纳米复合材料的主要成分为四氧化三铁，夹杂少量铁纳米粒子。同时，未观察到石墨材料的（002）特征峰，表明形成的碳包覆层为无定形结构。
图2为本实施例所制得的磁性碳纳米复合材料的扫描电镜照片，由图可知，大多数碳包覆四氧化三铁的粒度在50纳米以下，颗粒粒度较为均匀，品质较高。
实施例2
第一步：按照质量比为3:1的比例分别称取二茂铁和碲粉，二茂铁和碲粉的粒度为45微米。将二茂铁铺在高温反应釜的底部，碲粉置于氧化锆坩埚中并放入高温反应釜。将装料完成后的高温反应釜在惰性气氛保护下密封后作加热处理，其升温机制为：先以1℃/分钟的速率升温至450℃，停留2小时后，再以10℃/分钟的速率继续升温至650℃，恒温5 小时后自然冷却至室温。
第二步：收集反应釜底部及附着在釜壁的黑色产物，置于管式炉中，惰性气氛下以10℃/分钟的速率升温至600℃，恒温5小时以去除残留杂质，最终得到的蓬松粉体即为所述的磁性碳纳米复合材料，产率约为28%。
实施例3
第一步：按照质量比为2:1的比例分别称取二茂铁和碲粉，二茂铁和碲粉的粒度为38微米。将二茂铁铺在高温反应釜的底部，碲粉置于氧化锆坩埚中并放入高温反应釜。将装料完成后的高温反应釜在惰性气氛保护下密封后作加热处理，其升温机制为：先以3℃/分钟的速率升温至500℃，停留0.5小时后，再以7℃/分钟的速率继续升温至800℃，恒温2小时后自然冷却至室温。
第二步：收集反应釜底部及附着在釜壁的黑色产物，置于管式炉中，惰性气氛下以7℃/分钟的速率升温至800℃，恒温3小时以去除残留杂质，最终得到的蓬松粉体即为所述的磁性碳纳米复合材料，产率约为40%。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (5)
1.一种磁性碳纳米复合材料的制备方法，其特征在于：利用碲蒸汽来催化促进二茂铁分子的分解，一步气相合成以碳包覆四氧化三铁纳米颗粒为主的磁性碳纳米复合材料，具体包括以下步骤：
步骤1：按比例称取二茂铁和碲粉，将二茂铁铺在反应釜的底部，碲粉置于氧化锆坩埚中并放入反应釜，于惰性气氛保护下密封后作加热处理；
步骤2：收集反应釜底部及附着在釜壁的黑色产物，置于管式炉中，于惰性气氛下作加热处理，即得所述磁性碳纳米复合材料；
所述二茂铁和碲粉的质量比为（0.1-3）:1。
2.根据权利要求1所述的磁性碳纳米复合材料的制备方法，其特征在于：所述二茂铁和碲粉的粒度为50微米以下。
3. 根据权利要求1所述的磁性碳纳米复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤1中加热处理的升温机制为：先以1-5℃/分钟的速率升温至450-550℃，停留0.5-2小时，再以5-10℃/分钟的速率继续升温至650-900℃，恒温1-5 小时，自然冷却至室温。
4.根据权利要求1所述的磁性碳纳米复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤2中加热处理的升温机制为：以5-10℃/分钟的速率升温至600-900℃，恒温1-5小时。
5.根据权利要求1所述的磁性碳纳米复合材料的制备方法，其特征在于：所述惰性气氛为氮气、氩气或氦气。
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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