一種核殼型碳包覆鐵納米複合材料的製備方法與流程
2024-02-20 15:51:15 1
本發明屬於複合材料合成和功能材料製備領域，具體涉及一種核殼型碳包覆鐵納米複合材料的製備方法。
背景技術：
碳包覆金屬納米複合材料是一種新型的功能材料，具有獨特的核殼結構和優異的物理化學性能，是當今碳納米複合材料領域研究的熱點。碳包覆層的存在，不僅可以克服金屬納米粒子在環境中不能穩定存在的缺點，還可以有效地將金屬納米粒子彼此隔開，從而避免金屬納米粒子之間的相互影響，大大擴展了碳包覆金屬納米複合材料在磁性材料、電池技術、催化劑、儲能轉換、環境保護、生物醫學等領域的應用。另外，碳包覆金屬納米複合材料在高頻段可以實現較好的電磁波阻抗匹配，使得其在電磁波吸收方面具有潛在的應用。近幾年，碳包覆金屬納米複合材料在作為鋰離子電池負極材料方面研究成果顯著，專利cn104201359a，cn102779984a，cn106058181報導的核殼型碳包覆複合材料表現出高比容量，優異的循環性能和超好的倍率性能，是性能極好的電極材料。
等離子體化學技術可以合成具有特殊性能和未知結構的新材料，在合成材料領域得到巨大的關注。本課題組研究發現，在微波加熱過程中，當被加熱介質包含不規則形狀的金屬或半導體時，會產生劇烈的微波誘導放電現象。微波金屬放電錶現為高密度的帶電粒子，即電子、振動的原子和分子受到高程度的激發，產生電火花或電弧，伴隨著激烈的放電，電介質表面溫度急劇升高。如果將納米級金屬粉末與電介質的混合物暴露於微波下，微波誘導產生的放電可以將金屬粉末部分蒸發，這是因為放電等離子體幾乎完全將微波能量吸收，從而導致粉末組分的有效加熱。利用微波加熱實施合成反應的研究較多，如reetibajpai、zhiqianwang等人利用微波加熱進行碳納米管的製備，vadahanambisridhar等人利用微波合成石墨烯基摻氮碳納米管，但是利用微波金屬放電在給定的氣氛中實施合成反應的可能性，以及對其合成產物的分析缺乏研究。同時，在碳納米材料製備方面，微波輔助加熱多見於製備碳納米管以及石墨烯基複合材料，用於製備碳包覆金屬納米顆粒的研究比較少見，對利用微波金屬放電製備碳包覆金屬納米顆粒的研究更是一片空白。
傳統碳包覆金屬納米複合材料的製備方法有電弧放電法、化學氣相沉積法、熱解法、液相浸漬炭化法等。這些製備方法技術相對成熟，但是也存在各自的局限性，如電弧放電法工藝複雜，產物雜質較多；化學氣相沉積法製備的反應產物與催化劑不易分離；熱解法對原料和工藝條件要求高；液相浸漬炭化法產率較低，能耗高。
綜上所述，現有技術中製備碳包覆金屬納米複合材料的製備方法製備周期長、工藝複雜、原料要求高、產物不易分離的問題，尚缺乏有效的解決方案。
技術實現要素：
針對上述現有技術中存在的技術問題，本發明的目的是提供一種核殼型碳包覆鐵納米複合材料的製備方法，該製備方法採用微波金屬放電技術進行製備，具有能力轉換迅速、整體升溫、快速啟動和停止的優點，能夠克服傳統方法製備周期長、工藝複雜、原料要求高、產物不易分離的問題，具有廣闊的應用前景。
為了解決以上技術問題，本發明的技術方案為：
一種核殼型碳包覆鐵納米複合材料的製備方法，包括如下步驟：
1)將二茂鐵溶於有機溶劑碳源中，混合均勻後加入放電介質，得到混合物；
2)將步驟1)得到的混合物進行微波加熱反應，反應過程中不斷通入惰性氣體氬氣或氮氣；
3)反應結束後，繼續通入惰性氣體設定時間，冷卻後，篩除放電介質後即可得到核殼型碳包覆鐵納米複合材料。
其中，二茂鐵作為金屬源，放電介質用於微波誘導金屬放電。
進一步的，步驟1)中，所述有機溶劑碳源為苯、甲苯、二甲苯、三甲基苯、乙苯、正己烷、環己烷、己酸或乙醚。
更進一步的，所述有機溶劑碳源為苯。
更進一步的，步驟1)中，所述有機溶劑碳源、二茂鐵和放電介質的質量比為5-40：1：1-5。
進一步的，步驟1)中，所述放電介質為鐵屑、鈷絲、銅絲或短鎳棒。放電介質用於微波誘導金屬放電，鐵屑、鈷絲、銅絲和短鎳棒具有較好的誘導金屬放電的效果。
進一步的，步驟2)中，微波反應的反應器為石英反應器。石英反應器具有優異的透波性能，對微波造成的影響極小，從而使得微波能夠順利進入反應器參加反應。
進一步的，步驟2)中，微波加熱的功率為800-1800w，微波加熱反應時間為2-10min。
進一步的，步驟3)中，反應結束後，繼續通入惰性氣體的時間為4-10min。繼續通入惰性氣體能進一步排除反應器內殘餘的氣態反應產物，使反應器內保持惰性氣氛。
進一步的，步驟3)中，冷卻的方式為自然冷卻。
進一步的，步驟3)中，還包括對製備得到的核殼型碳包覆鐵納米複合材料進行研磨的步驟。
上述製備方法製備得到的核殼型碳包覆鐵納米複合材料，其粒徑為20-200nm。
本發明的有益效果為：
本發明利用微波金屬放電成功製備出碳包覆金屬納米複合材料，是對碳納米複合材料和微波加熱領域的進一步擴展。本發明所需原料廣泛、工藝流程簡單、製備周期短、產率高，具有大規模應用的潛力。
本發明可通過調節碳源和金屬源的比例，製備不同比例要求的複合材料；可通過調節微波功率以及反應時間製備出不同平均粒徑(20-200nm)的碳包覆金屬納米複合材料。
本發明製備的核殼型碳包覆金屬納米複合材料碳層石墨化程度高、粒徑較均勻、穩定性好，具有優異的電學和磁學性能，特殊的核殼結構又使其具有良好的電磁波匹配作用，這種複合材料在鋰離子電池、催化劑、吸波材料、磁性材料等方面應用潛力巨大。
附圖說明
構成本申請的一部分的說明書附圖用來提供對本申請的進一步理解，本申請的示意性實施例及其說明用於解釋本申請，並不構成對本申請的不當限定。
圖1為本發明實施例1和實施例2分別以鐵屑和短鎳棒為放電介質製備的核殼型碳包覆鐵納米複合材料的xrd圖。
圖2為本發明實施例1製備的核殼型碳包覆鐵納米複合材料的sem圖。
圖3為本發明實施例1製備的核殼型碳包覆鐵納米複合材料的tem圖。
圖4為本發明實施例1製備的核殼型碳包覆鐵納米複合材料中單個顆粒的tem圖。
具體實施方式
應該指出，以下詳細說明都是例示性的，旨在對本申請提供進一步的說明。除非另有指明，本文使用的所有技術和科學術語具有與本申請所屬技術領域的普通技術人員通常理解的相同含義。
需要注意的是，這裡所使用的術語僅是為了描述具體實施方式，而非意圖限制根據本申請的示例性實施方式。如在這裡所使用的，除非上下文另外明確指出，否則單數形式也意圖包括複數形式，此外，還應當理解的是，當在本說明書中使用術語「包含」和/或「包括」時，其指明存在特徵、步驟、操作、器件、組件和/或它們的組合。
實施例1
本實施例的核殼型碳包覆鐵納米複合材料的製備工藝如下：
用電子天平稱取1.30g二茂鐵、14.70g苯和2.30g短鎳棒，將二茂鐵溶於苯中，配成一定比例的混合液，然後對混合液進行超聲分散，混合均勻後加入放電介質短鎳棒。
將裝有上述混合物的石英反應器置於工業微波爐中，向反應器內通入惰性氣體ar以排除空氣，氬氣流速為200ml/min，工業微波爐的功率設置為1800w，反應時間設置為5min，啟動工業微波爐。
反應結束後，保持氬氣流速不變，繼續通入氬氣5min，隨後將反應器自然冷卻至室溫，取出反應產物，輕微研磨，篩除放電介質後便可得到核殼型碳包覆鐵納米複合材料。
圖2為實施例1製備的核殼型碳包覆鐵納米複合材料的sem圖，掃描電鏡分析表明該複合材料粒徑較為均勻，主要分布在60-100nm，平均粒徑小於100nm。
圖3和圖4為實施例1製備的核殼型碳包覆鐵納米複合材料的tem圖，其中圖4為單個顆粒的tem圖，高清透射電鏡分析表明該複合材料包覆情況較好，碳層厚度為10-25nm，外殼石墨化程度較高，使得內部鐵核能被很好的保護。
實施例2
用電子天平稱取1.30g二茂鐵、14.70g苯和1.90g鐵屑，將二茂鐵溶於苯中，配成一定比例的混合液，然後對混合液進行超聲分散，混合均勻後加入放電介質鐵屑。
將裝有上述混合物的石英反應器置於工業微波爐中，向反應器內通入惰性氣體ar以排除空氣，氬氣流速為200ml/min，工業微波爐的功率設置為1800w，反應時間設置為5min，啟動工業微波爐。
反應結束後，保持氬氣流速不變，繼續通入氬氣5min，隨後將反應器自然冷卻至室溫，取出反應產物，輕微研磨，篩除放電介質後便可得到核殼型碳包覆鐵納米複合材料。
圖1為實施例1和實施例2製備的核殼型碳包覆的鐵納米複合材料的xrd圖，由圖可知，兩种放電介質下得到反應產物基本一致，包含c、fe3c、fe三種物相，說明微波金屬放電技術在不同放電介質下得到的產物基本一致；同時說明了鐵屑和短鎳棒在微波輻照下都具有優異的放電效果，驗證了權利要求書中的第5條。經進一步分析，反應產物中的c主要以c60和c70物相存在，構成核殼型碳包覆鐵納米複合材料的石墨化外殼，圖4可以驗證這一結論。fe3c是碳和鐵原子在高溫下發生化學反應生成的，它的生成需要很高的溫度，驗證了微波金屬放電產生高溫這一結論。
實施例3
用電子天平稱取1.30g二茂鐵、14.70g苯和2.30g短鎳棒，將二茂鐵溶於苯中，配成一定比例的混合液，然後對混合液進行超聲分散，混合均勻後加入放電介質短鎳棒。
將裝有上述混合物的石英反應器置於工業微波爐中，向反應器內通入惰性氣體ar以排除空氣，氬氣流速為200ml/min，工業微波爐的功率設置為1500w，反應時間設置為5min，啟動工業微波爐。
反應結束後，保持氬氣流速不變，繼續通入氬氣5min，隨後將反應器自然冷卻至室溫，取出反應產物，輕微研磨，篩除放電介質後便可得到核殼型碳包覆鐵納米複合材料。
實施例4
用電子天平稱取1.30g二茂鐵、14.70g苯和2.30g短鎳棒，將二茂鐵溶於苯中，配成一定比例的混合液，然後對混合液進行超聲分散，混合均勻後加入放電介質短鎳棒。
將裝有上述混合物的石英反應器置於工業微波爐中，向反應器內通入惰性氣體ar以排除空氣，氬氣流速為200ml/min，工業微波爐的功率設置為1000w，反應時間設置為5min，啟動工業微波爐。
反應結束後，保持氬氣流速不變，繼續通入氬氣5min，隨後將反應器自然冷卻至室溫，取出反應產物，輕微研磨，篩除放電介質後便可得到核殼型碳包覆鐵納米複合材料。
實施例5
用電子天平稱取1.30g二茂鐵、14.70g苯和2.30g短鎳棒，將二茂鐵溶於苯中，配成一定比例的混合液，然後對混合液進行超聲分散，混合均勻後加入放電介質短鎳棒。
將裝有上述混合物的石英反應器置於工業微波爐中，向反應器內通入惰性氣體ar以排除空氣，氬氣流速為200ml/min，工業微波爐的功率設置為1500w，反應時間設置為3min，啟動工業微波爐。
反應結束後，保持氬氣流速不變，繼續通入氬氣5min，隨後將反應器自然冷卻至室溫，取出反應產物，輕微研磨，篩除放電介質後便可得到核殼型碳包覆鐵納米複合材料。
實施例6
用電子天平稱取0.80g二茂鐵、14.70g苯和2.30g短鎳棒，將二茂鐵溶於苯中，配成一定比例的混合液，然後對混合液進行超聲分散，混合均勻後加入放電介質。
將裝有上述混合物的石英反應器置於工業微波爐中，向反應器內通入惰性氣體ar以排除空氣，氬氣流速為200ml/min，工業微波爐的功率設置為1500w，反應時間設置為5min，啟動工業微波爐。
反應結束後，保持氬氣流速不變，繼續通入氬氣5min，隨後將反應器自然冷卻至室溫，取出反應產物，輕微研磨，篩除放電介質後便可得到核殼型碳包覆鐵納米複合材料。
以上所述僅為本申請的優選實施例而已，並不用於限制本申請，對於本領域的技術人員來說，本申請可以有各種更改和變化。凡在本申請的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本申請的保護範圍之內。