五羰基铁为铁源气相爆轰合成纳米碳包铁的方法与流程

本发明属于纳米材料合成技术领域，是以五羰基铁为铁源，用气相爆轰的方式来合成纳米碳包铁的技术。

背景技术：

纳米碳包铁颗粒具有特殊的核壳结构，是一种中心为纳米铁颗粒，外部由碳层紧密包裹的纳米粒子。由于碳层紧密包裹纳米铁颗粒，碳层阻隔了空气中氧对纳米铁的氧化，也阻隔了酸碱等物质与纳米铁反应，从而扩大了纳米铁的应用范围；另外，对碳表面进行各种活化处理，也可以使其负担各种药物、改善吸附性。因而，纳米碳包铁在电子领域、污水处理、生物医学等领域有很好的应用潜力。

尽管纳米碳包铁具有十分优越的性能以及广阔的应用前景，但目前合成纳米碳包铁的手段有限，合成成本较高。主要合成方法包括：电弧放电法(魏志强，朱林，乔红霞.直流碳弧等离子体法制备碳包覆铁纳米颗粒研究.《真空科学与技术学报》.2008,28(5):454-457)、化学气相沉积法(n.sano，h.akazawa,t.kikuchi，t.kanki.separatedsynthesisofiron-includedcarbonnanocapsulesandnanotubesbypyrolysisofferroceneinpurehydrogen.《carbon》，2003，41(11):2159-2162)和炸药爆轰法(孙贵磊，李晓杰，闫鸿浩.碳包覆铁碳化合物的爆轰合成及表征.《功能材料》.2007,(a06):2167-2169)等。其中电弧放电法对设备要求比较严格，并且它的能量损耗较大，很难工业化生产碳包铁。化学气相沉积法经过长时间的技术进步，合成的纳米颗粒技术已经非常成熟，但碳包覆铁纳米颗粒合成过程中需要高温热解有机和含碳气体，依然会大量消耗能源，同时会有许多碳杂质的出现。而炸药爆轰法，虽然它具有工艺简单、合成效率高，可接近工业化生产，但是合成过程中需要使用炸药进行爆炸，存在一定的安全问题；此外，由于需要使用炸药配方，容易带入杂质，不适于生物医药这类高纯物质的合成。因此，发展高效、快速、高产率的合成纳米碳包铁保合成方法尤为重要。为此，本发明采用以五羰基铁为铁源，通过气体的爆轰法合成纳米碳包铁，能够在极短时间内大量的合成纯净的纳米碳包铁。

过去以气体爆轰法合成纳米碳包铁是以二茂铁作为铁源的(闫鸿浩，赵铁军，李晓杰，王小红，碳包覆铁纳米颗粒的气相爆轰合成，《高压物理学报》，2016(3):207-212)，二茂铁作为铁源进行气相爆轰合成有很多缺点。二茂铁是一种具有芳香族性质的有机过渡金属化合物，常温压下熔点172-174℃，沸点249℃，100℃以上能升华。由于在常温压下为固体状态，在加热的爆轰管受热很难完全升华，不利于纳米碳包铁的生成。如果将爆轰管加热到249℃二茂铁沸点以上，不但会增加能量消耗，也不利于气体爆轰的安全性。而五羰基铁在常温下为液态(熔点-20.3℃)利于传热气化，而且五羰基铁的气化点较低，沸点只有103℃，更容易气化，可以与爆轰气体很均匀充分地混合在一起，这样有利于更细小和更纯净的纳米碳包铁。另外，五羰基铁在工业上已经广泛的用于合成羰基铁粉，即在常压250℃-300℃时热解五羰基铁，已是工业化制取羰基铁粉的最基本方法，工业化基础很强，所以利用五羰基铁生产纳米碳包铁也会是一种很好的工业化合成方法。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种用气相爆轰方式来合成纳米碳包铁的方法，其制备方法简单、高效、廉价、产量大并且纯净。

本发明的技术方案：

五羰基铁为铁源气相爆轰合成纳米碳包铁的方法，步骤如下：

(1)将气相爆轰管密闭后抽真空，加热装有五羰基铁或九羰基二铁的密封气化容器至100～140℃；

(2)向气相爆轰管内注入五羰基铁、碳氢气体和含氧气体，混合气体至压力50～200kpa；

(3)停止气相爆轰管加热，用电火花引爆管内混合气体；

(4)爆轰完毕后，打开排气阀放出、吹扫并过滤气体，收集气相爆轰管内的固体产物，即为纳米碳包铁。

其中，五羰基铁中的铁与碳氢气体中的碳，二者的摩尔比为2～20:10；

所述的碳氢气体为乙炔、甲烷、丙烷、天然气、石油液化气中的一种或两种以上混合。

所述的含氧气体为空气，氧气，以及它们与氮、二氧化碳的混合气体；

在爆轰反应中为使所有氢反应完毕，并产生尽量多的碳，氢、氧原子的摩尔比为15～25:10，优选为2:1。

本发明的有益效果：

1)提供的气相爆轰法制备纳米碳包铁反应条件温和、简单易控。

2)通过提供高温高压的环境，可在极短时间内大量合成纳米碳包铁。

3)所制备的产物纯度较高，生产成本低廉，其结构和性能优越。

附图说明

图1为本发明的所用制备纳米碳包铁装置示意图。

图2为实施例1纳米碳包铁的x射线衍射图。

图3为实施例1合成的纳米碳包铁透射电镜(tem)照片。

图4为实施例2合成的纳米碳包铁透射电镜(tem)照片。

图中：1爆轰管与加热系统；2气体爆轰腔；3密封法兰；4气阀；5真空表；6气阀；7点火电极；8五羰基铁气化容器。

具体实施方式

以下结合附图和技术方案进一步说明本发明的具体实施方式。

本发明提供一种通过气相爆轰的方式来合成纳米碳包铁的新型制备方法，包括以下实施例：

实施例1

将8.2l的气相爆轰管1加热至135℃，由气阀6抽真空至0.2kpa。将装有液态五羰基铁或九羰基二铁粉末的气化容器8也加热至135℃。将气相爆轰管1上的气阀6切换至乙炔c2h2气，注入乙炔至36.2kpa，乙炔量约98.8×10^-3mol；通过气阀4向爆轰管内腔2注入已经气化的五羰基铁fe(co)5至48.2kpa,五羰基铁含量约32.9×10^-3mol；再将气阀6切换至氧气o2，注入氧至84.2kpa，氧含量约98.8×10^-3mol。保温数分钟，待气体自然混匀，停止加热。使用高能点火器连接点火电极7，产生电火花引爆爆轰管内腔2中的混合气体。爆轰完毕后，将气阀4切换至排气状态，放出并过滤气体；气阀6切换成高压空气，吹扫爆轰管，气阀4处排气并过滤。最后，打开爆轰管1收集沉积在管内壁上的粉末产物，将过滤的和爆轰管固体粉末集中检验，所获得即为纳米碳包铁。图2为粉末产物的x射线衍射图，主峰为α-fe峰,含有少量fe3c。通过tem检验(见图3)，观察到产物的直径在5～30nm之间，为碳包覆铁芯球状颗粒，偶有团聚。

实施例2

按照实施例1的制备方法，将98.8×10^-3mol氧气的量换成66.8×10^-3mol，其余步骤均与例1相同，均能得到纳米碳包铁,tem照片见图4。

实施例3

按照实施例1的制备方法，将98.8×10^-3mol氧气换成142.2×10^-3mol的空气，其余步骤均与例1相同，得到纳米碳包铁。

实施例4

按照实施例1的制备方法，将98.8×10^-3mol乙炔换成98.8×10^-3mol的甲烷、丙烷、天然气、液化气等，将98.8×10^-3mol氧气的量换成66.80×10^-3mol，其余步骤均与例1相同，均能得到纳米碳包铁。

综上所述，本发明通过气相爆轰的方式来合成纳米碳包铁的方法，利用气体爆轰过程产生的高温高压环境，热解五羰基铁fe(co)5，提供了合成纳米碳包铁的发明方法，这种合成手段新颖，高效，有望能够用于大规模的实践生产中。

本发明不局限于上述实施例的参数和配比方案，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。