[發(fā)明專利]五羰基鐵為鐵源氣相爆轟合成納米碳包鐵的方法

在審

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• 申請日: 2017-06-27
• 公開（公告）號(hào): CN107159902A
• 公開（公告）日: 2017-09-15
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李曉杰;閆鴻浩;潘訓(xùn)岑;王小紅;王宇新;孫明;李雪琪
• 申請（專利權(quán)）人: 大連理工大學(xué)
• 主分類號(hào): B22F9/30
• 分類號(hào): B22F9/30;B22F1/02;C01B32/15;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 大連理工大學(xué)專利中心21200
• 代理人: 溫福雪,侯明遠(yuǎn)

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于納米材料合成技術(shù)領(lǐng)域，是以五羰基鐵為鐵源，用氣相爆轟的方式來合成納米碳包鐵的技術(shù)。

背景技術(shù)

納米碳包鐵顆粒具有特殊的核殼結(jié)構(gòu)，是一種中心為納米鐵顆粒，外部由碳層緊密包裹的納米粒子。由于碳層緊密包裹納米鐵顆粒，碳層阻隔了空氣中氧對(duì)納米鐵的氧化，也阻隔了酸堿等物質(zhì)與納米鐵反應(yīng)，從而擴(kuò)大了納米鐵的應(yīng)用范圍；另外，對(duì)碳表面進(jìn)行各種活化處理，也可以使其負(fù)擔(dān)各種藥物、改善吸附性。因而，納米碳包鐵在電子領(lǐng)域、污水處理、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有很好的應(yīng)用潛力。

盡管納米碳包鐵具有十分優(yōu)越的性能以及廣闊的應(yīng)用前景，但目前合成納米碳包鐵的手段有限，合成成本較高。主要合成方法包括：電弧放電法(魏志強(qiáng)，朱林，喬紅霞.直流碳弧等離子體法制備碳包覆鐵納米顆粒研究.《真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào)》.2008,28(5):454-457)、化學(xué)氣相沉積法(N.Sano，H.Akazawa,T.Kikuchi，T.Kanki.Separated synthesis of iron-included carbon nanocapsules and nanotubes by pyrolysis of ferrocene in pure hydrogen.《Carbon》，2003，41(11):2159-2162)和炸藥爆轟法(孫貴磊，李曉杰，閆鴻浩.碳包覆鐵碳化合物的爆轟合成及表征.《功能材料》.2007,(A06):2167-2169)等。其中電弧放電法對(duì)設(shè)備要求比較嚴(yán)格，并且它的能量損耗較大，很難工業(yè)化生產(chǎn)碳包鐵。化學(xué)氣相沉積法經(jīng)過長時(shí)間的技術(shù)進(jìn)步，合成的納米顆粒技術(shù)已經(jīng)非常成熟，但碳包覆鐵納米顆粒合成過程中需要高溫?zé)峤庥袡C(jī)和含碳?xì)怏w，依然會(huì)大量消耗能源，同時(shí)會(huì)有許多碳雜質(zhì)的出現(xiàn)。而炸藥爆轟法，雖然它具有工藝簡單、合成效率高，可接近工業(yè)化生產(chǎn)，但是合成過程中需要使用炸藥進(jìn)行爆炸，存在一定的安全問題；此外，由于需要使用炸藥配方，容易帶入雜質(zhì)，不適于生物醫(yī)藥這類高純物質(zhì)的合成。因此，發(fā)展高效、快速、高產(chǎn)率的合成納米碳包鐵保合成方法尤為重要。為此，本發(fā)明采用以五羰基鐵為鐵源，通過氣體的爆轟法合成納米碳包鐵，能夠在極短時(shí)間內(nèi)大量的合成純凈的納米碳包鐵。

過去以氣體爆轟法合成納米碳包鐵是以二茂鐵作為鐵源的(閆鴻浩，趙鐵軍，李曉杰，王小紅，碳包覆鐵納米顆粒的氣相爆轟合成，《高壓物理學(xué)報(bào)》，2016(3):207-212)，二茂鐵作為鐵源進(jìn)行氣相爆轟合成有很多缺點(diǎn)。二茂鐵是一種具有芳香族性質(zhì)的有機(jī)過渡金屬化合物，常溫壓下熔點(diǎn)172-174℃，沸點(diǎn)249℃，100℃以上能升華。由于在常溫壓下為固體狀態(tài)，在加熱的爆轟管受熱很難完全升華，不利于納米碳包鐵的生成。如果將爆轟管加熱到249℃二茂鐵沸點(diǎn)以上，不但會(huì)增加能量消耗，也不利于氣體爆轟的安全性。而五羰基鐵在常溫下為液態(tài)(熔點(diǎn)-20.3℃)利于傳熱氣化，而且五羰基鐵的氣化點(diǎn)較低，沸點(diǎn)只有103℃，更容易氣化，可以與爆轟氣體很均勻充分地混合在一起，這樣有利于更細(xì)小和更純凈的納米碳包鐵。另外，五羰基鐵在工業(yè)上已經(jīng)廣泛的用于合成羰基鐵粉，即在常壓250℃-300℃時(shí)熱解五羰基鐵，已是工業(yè)化制取羰基鐵粉的最基本方法，工業(yè)化基礎(chǔ)很強(qiáng)，所以利用五羰基鐵生產(chǎn)納米碳包鐵也會(huì)是一種很好的工業(yè)化合成方法。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種用氣相爆轟方式來合成納米碳包鐵的方法，其制備方法簡單、高效、廉價(jià)、產(chǎn)量大并且純凈。

本發(fā)明的技術(shù)方案：

五羰基鐵為鐵源氣相爆轟合成納米碳包鐵的方法，步驟如下：

(1)將氣相爆轟管密閉后抽真空，加熱裝有五羰基鐵或九羰基二鐵的密封氣化容器至100～140℃；

(2)向氣相爆轟管內(nèi)注入五羰基鐵、碳?xì)錃怏w和含氧氣體，混合氣體至壓力50～200KPa；

(3)停止氣相爆轟管加熱，用電火花引爆管內(nèi)混合氣體；

(4)爆轟完畢后，打開排氣閥放出、吹掃并過濾氣體，收集氣相爆轟管內(nèi)的固體產(chǎn)物，即為納米碳包鐵。

其中，五羰基鐵中的鐵與碳?xì)錃怏w中的碳，二者的摩爾比為2～20:10；

所述的碳?xì)錃怏w為乙炔、甲烷、丙烷、天然氣、石油液化氣中的一種或兩種以上混合。

所述的含氧氣體為空氣，氧氣，以及它們與氮、二氧化碳的混合氣體；

在爆轟反應(yīng)中為使所有氫反應(yīng)完畢，并產(chǎn)生盡量多的碳，氫、氧原子的摩爾比為15～25:10，優(yōu)選為2:1。

本發(fā)明的有益效果：

1)提供的氣相爆轟法制備納米碳包鐵反應(yīng)條件溫和、簡單易控。