碳包覆氧化铁纳米片材料及其制备方法与流程

本发明属于无机材料制备技术领域，具体涉及一种碳包覆氧化铁纳米片材料及其制备方法。

背景技术

随着人类社会的快速发展，人类的生产活动已经对环境造成了很大的污染。并且，随着化石燃料的不断消耗，能源危机也日益加深。因此，开发具有新颖结构的有机-无机复合材料可以有效解决单一材料的局限，极大的发挥复合材料的优势，在处理环境污染和解决能源危机方面具有很大的优势。铁及其化合物在自然界的储量丰富，价格低廉，已经被广泛的应用于国防、化工、航空航天等多个领域。例如，发明专利(201610711528.9)公布了一种纳米氧化铁的制备方法，加入环糊精、氯化铁和聚丙烯酰胺后进行煅烧；发明专利(201710109804.9)公布了一种磁性磁性纳米氧化铁的制备方法，使用交变磁场溶剂冷磁致内热机制合成磁性纳米氧化铁颗粒；发明专利(201711202206.2)公布了一种空心氧化铁材料及其制备方法，采用铁盐和有机配体为原料，甲基甲酰胺和水混合液作为反应溶剂，使用硝酸为氧化剂，氢氟酸为刻蚀剂，在反应12-72h得到花瓣状空心氧化铁。此外，碳材料由于具有丰富的表面活性基团和多级孔结构，近些年也备受关注。例如，发明专利(201680037567.3)公布了一种适于储氢的碳结构，具有超微孔体积与微孔体积的比率为60％或更大的碳结构；发明专利(201680047353.4)公布了一种二维碳材料的制备方法；发明专利(201680041287.x)公布了一种碳材料及其制造方法，将乙炔和乙炔衍生物中的至少一者的气体状物质(a)的非氧化性气氛中，将有机系高分子物质加热至超过400℃而进行碳化处理的工序。

纳米片材料的二维结构大大增加比表面积和活性位的数量。截至目前，只有很少关于氧化铁纳米片的制备方法(201610136119.0；201610408147.3；201710120611.3；201710631273.x；201710463430.0)。氧化铁纳米片由于其优异的性能已经引起国内外科研者的广泛关注和研究热情。碳包覆的氧化铁材料结合了二者的优点，表现出比单一材料更加突出的性能。但目前报道的方法需要苛刻的实验条件，工艺复杂，成本高，难以实现工业化。例如，发明专利(201610182535.4)公布了一种掺n多孔碳/氧化铁复合粉体的制备方法，需要技术较高的真空热处理；发明专利(201711086340.0)公布了一种碳包覆氧化铁纳米管的制备方法及其产品和应用，需要在不锈钢反应釜中采用超临界法反应制得；发明专利(201710633240.9)公布了一种氧化铁-介孔碳锂离子电池负极材料的制备方法，需要表面活性剂的自组装过程和惰性气体氛围煅烧。此外，目前碳包覆的氧化铁主要是氧化铁的纳米颗粒，而对于具有纳米片形貌的氧化铁的表面碳包覆还未见相关报道。

技术实现要素：

本发明目的在于提供一种碳包覆氧化铁纳米片材料，具有优异的光催化性能，并且结构稳定；同时，本发明提供其制备方法，工艺流程简单、成本低、适合规模化生产。

本发明所述的碳包覆氧化铁纳米片材料，即氧化铁纳米片外表面具有包覆层，所述包覆层为有机物碳化后的碳。

本发明所述的碳包覆氧化铁纳米片材料的制备方法，以组分a和组分b为原料经高温煅烧制得；其中：组分a为铁的氯化盐，组分b为有机糖类或有机氰胺类化合物中的一种。

所述的碳包覆氧化铁纳米片材料的制备方法，具体包括以下步骤：

(1)将组分a和组分b溶于水，得水溶液c；

(2)将水溶液c置于烘箱中干燥使其脱水，脱水后呈粘稠状态，然后加入浓盐酸，搅拌得混合物d；

(3)将混合物d置于坩埚中在气氛保护下煅烧，煅烧工艺为：首先在200-270℃下保温30-120min，然后以1-10℃/min的升温速率升温至350-700℃，继续保温30-180min，冷却得煅烧产物，将煅烧产物后处理得成品。

组分a为氯化铁或氯化亚铁中的一种或两种复配。

当组分b为有机糖类化合物时，有机糖为葡萄糖或蔗糖中的一种或两种复配；当组分b为有机氰胺类化合物时，有机氰胺为尿素、三聚氰胺或双氰胺中的一种或多种复配。

水溶液c中，组分a、组分b、水的质量比为1：(0.05-1)：(1-15)。

水溶液c的干燥温度为20-100℃，干燥时间为2-24h，浓盐酸的浓度为36-38wt％，用量为0.1-1ml。

煅烧时气氛为氮气、氩气、氨气或空气中的一种。

煅烧产物后处理工艺为：首先用洗涤剂洗涤，然后干燥，干燥温度为50-150℃，干燥时间为1-24h，干燥方式为空气中干燥或真空干燥。

本发明与现有技术相比，具有以下有益效果。

(1)本发明所制备的碳包覆氧化铁纳米片材料，具有优异的光催化性能，模拟苯酚有机污染降解实验中，30min内对苯酚的降解率为92-100％；本发明碳对氧化铁纳米片表面的包覆有效抑制了其铁离子的滤出，保护了氧化铁纳米片的结构，结构稳定性提高；

(2)本发明制备时原料简单，直接利用煅烧的方法制备，所制备的纳米片结构可控，碳包覆厚度可控，工艺简单，操作简便，成本低廉，解决的现有技术中工艺复杂、成本高昂等技术问题，环境友好，适于大规模工业化生产，应用前景广泛。

附图说明

图1、实施例1中所得碳包覆氧化铁纳米片材料的xps图；

图2、实施例1中所得碳包覆氧化铁纳米片材料的sem图；

图3、实施例1中所得碳包覆氧化铁纳米片材料的苯酚降解图。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图对本发明做进一步说明。

实施例1

将0.1g三氯化铁和0.05g葡萄糖加入到1毫升水中，待其溶解后置于烘箱中60℃干燥5h，而后加入0.3ml浓度为36-38wt％的浓盐酸并搅拌均匀，而后置于坩埚中在氮气气氛下煅烧，首先在230℃下保温60分钟，然后以5℃/分钟的升温速率升至380℃，保温120分钟，冷却后将煅烧产物用乙醇洗涤两次，在80℃干燥12h得碳包覆氧化铁纳米片材料成品。

由图1可知，处于284.5-288.9ev处的峰为c-c和c-o的特征峰，处于529.4-533.1ev处的峰为fe-o和c-o的特征峰，处于710.8ev和724.9ev的特征峰归属于氧化铁的特征峰，因此煅烧产物为碳包覆的氧化铁；

由图2可知，成品为纳米片结构，表面包覆碳；

将本实施例所得0.05g产物加入到100ml苯酚溶液中(浓度为5mg/l)，黑暗中搅拌30min后，加入0.5ml双氧水(浓度为30wt％)进行降解实验，由图3可知，产物在30min内可完全降解有机污染物。

实施例2

如实施例1所述，所不同的是三氯化铁替换为水合氯化亚铁，浓盐酸的用量为0.1ml。所得碳包覆氧化铁纳米片材料在30min可完全降解有机污染物。

实施例3

如实施例1所述，所不同的是葡萄糖替换为蔗糖,浓盐酸的用量为1ml。所得碳包覆氧化铁纳米片材料在30min可完全降解有机污染物。

实施例4

如实施例1所述，所不同的是葡萄糖替换为三聚氰胺，煅烧升温时在空气气氛下以1℃/分钟的升温速率升至550℃。所得碳包覆的氧化铁纳米片材料材料在30min降解有机污染物达100％。

实施例5

如实施例1所述，所不同的是葡萄糖替换为双氰胺，在空气气氛下煅烧升温时以5℃/分钟的升温速率升至600℃。所得碳包覆的氧化铁纳米片材料材料在30min降解有机污染物达95％。

实施例6

如实施例1所述，所不同的是葡萄糖替换为0.1g的尿素，煅烧升温时以10℃/分钟的升温速率升至550℃。所得碳包覆的氧化铁纳米片材料材料在30min降解有机污染物达92％。

实施例7

如实施例1所述，所不同的是煅烧时在氨气气氛下首先在700℃保温180分钟。所得碳包覆的氧化铁纳米片材料材料在30min降解有机污染物达100％。

实施例8

如实施例1所述，所不同的是煅烧时在氮气气氛下首先在200℃保温120分钟，然后以10℃/分钟的升温速率升至350℃，保温30分钟，所得碳包覆的氧化铁纳米片材料材料在30min降解有机污染物达90％。

实施例9

如实施例1所述，所不同的是加入浓度为36-38wt％浓盐酸加入量为0.5ml，碳包覆氧化铁纳米片材料在30min可完全降解有机污染物。

实施例10

如实施例1所述，所不同的是将产物后处理时用乙醇洗涤3次，在130℃干燥2h。所得碳包覆氧化铁纳米片材料在30min可完全降解有机污染物。

实施例11

如实施例1所述，所不同的是葡萄糖替换为0.025g葡萄糖和0.025g蔗糖的复配物，所得碳包覆氧化铁纳米片材料在30min可完全降解有机污染物。

实施例12

如实施例1所述，所不同的是葡萄糖替换为0.025g三聚氰胺和0.025g双氰胺的复配物，所得碳包覆氧化铁纳米片材料在30min可完全降解有机污染物。