一种高比电容磁性材料Fe2O3纳米棒包碳微电缆的制备方法
【专利摘要】本发明属于纳米/微米尺度功能材料制备【技术领域】，具体涉及一种高比电容磁性材料Fe2O3纳米棒包碳微电缆的制备方法。具体步骤为：先制备聚丙烯腈纺丝液前驱体溶液，在用静电纺丝技术制备聚丙烯腈纳米纤维，进一步煅烧碳化制备碳纳米纤维。采用温和的水热法制备FeOOH/CNF复合纳米材料，进一步煅烧制备Fe2O3纳米棒包碳微电缆。对其进行性能测试发现该类Fe2O3纳米棒包碳微电缆具有较大的磁性和优越的电学性能。
【专利说明】—种高比电容磁性材料Fe203纳米棒包碳微电缆的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于纳米/微米尺度功能材料制备【技术领域】，具体涉及一种高比电容磁性材料Fe2O3纳米棒包碳微电缆的制备方法。
【背景技术】
[0002]一维纳米结构有纳米纤维、纳米棒、纳米带、纳米管以及纳米电缆等。一维纳米材料常见的制备方法包括模板法、溶剂热法、化学气相沉积法和静电纺丝法。静电纺丝法作为一种简单的方法，已经被越来越多的制备聚合物一维材料、碳纤维纳米材料、金属有机物纳米材料以及其他的复合纳米材料。
[0003]羟基氧化物(FeOOH)作为一种重要的矿物质广泛存在于土壤和天然沉积物中。由于具有稳定的化学性质和较大的比表面积，被广泛应用于催化、电极材料、传感、水处理等领域。而且轻基氧化铁FeOOH是合成a-Fe2O3和Fe3O4的重要前驱体。Ct-Fe2O3,作为铁的一种氧化物，是一种环境友好的N-型半导体(Eg=2.leV)，也是在自然环境下最稳定的铁的氧化物。由于铁的氧化物原料丰富、无毒、环境友好以及性质稳定等，被广泛应用于传感、电极材料、吸波材料等领域。金属氧化物与碳复合的材料越来越受到人们的研究和关注，这主要是碳具有很多独特的性质，与金属氧化物复合在一起，可以有效的提高材料的性能。这些材料可以应用在电子装置、磁性数据记录以及非均相催化等领域，最近越来越多的人利用铁的氧化物修饰碳纤维或碳纳米管来制备磁性碳材料。因此，如何用一种简单的方法来制备得到功能化的金属负载碳纳米纤维复合材料，是一个具有重要意义的研究课题。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提出一种操作简便、条件易控、经济的可用于大规模生产高比电容磁性材料的方法。首先利用静电纺丝技术制备了形貌均一的碳纳米纤维(CNF)，再在温和的水热条件下，合成了 FeOOH/CNF复合纳米材料。将FeOOH/CNF复合产物在惰性气氛下煅烧，可以得到高比电容磁性材料Fe2O3纳米棒包碳微电缆。
[0005]本发明可以通过以下技术方案来实现:
大步骤1，利用静电纺丝技术制备碳纳米纤维(CNF):
(I)聚丙烯腈纺丝液前驱体的配制:称取0.6-3.0 g聚丙烯腈(PAN)粉末，加入到10-30 mL N，N-二甲基甲酰胺(DMF)溶剂中，磁力搅拌12 h，配制成浓度为6_18 Wt%的前躯体纺丝液。
[0006](2)将PAN前驱液制备纳米纤维:将上述所得的溶液转入注射器，接入纺丝仪器中，所得PAN纳米纤维在烘箱里干燥后装入洁净的自封袋中备用。
[0007](3)PAN纳米纤维原位碳化制备碳纳米纤维:程序升温至800°C，将PAN纳米纤维在Ar氛围中煅烧，PAN纳米纤维原位碳化为碳纳米纤维。
[0008]大步骤2，FeOOH/CNF复合纳米材料的制备:室温下，将 10 -20mg CNF, 0.4 g-0.8 FeCl3.6Η20，1.05-2.1 g Na2SO4,0.25-0.5 g NaAc以及40 mL蒸懼水加入体积为50 mL的聚四氟乙烯内衬的反应爸内，然后超声10-15 min,再将溶液在室温下放置12 h，然后将反应釜放入数字控制恒温干燥箱里，在100°C反应12h、6 h、3 h，然后自然冷却至室温。最后，通过离心分离等到黑色的碳纤维膜，分别用无水乙醇、去粒子水洗涤数次，干燥得到最终的FeOOH/CNF复合产物。
[0009]大步骤3，Fe203/CNF的制备
将上述所得的部分FeOOH/CNF复合产物转入小磁舟，放入管式炉，在氩气的的保护下，500°C煅烧3 h，冷却至室温，得到Fe203/CNF产物。
[0010]上述技术方案，利用静电纺丝技术结合水热法合成了一种高比电容磁性材料Fe2O3纳米棒包碳微电缆。与现有技术相比，本发明的优点在于此Fe203/CNF复合材料的合成方法简单，对设备要求较低；在制备时不产生对环境有污染的副产物，符合可持续发展要求，是一种环保型合成工艺。Fe203/CNF复合材料不仅具有较强的磁性，还具有较好的电化学性质以及高的电容量，是一种理想的电极材料。
【具体实施方式】
[0011]下面通过实施例进一步描述本发明技术方案。
[0012]实施例1
(I)称取0.6 g聚丙烯腈粉末，加入到10 mL N，N-二甲基甲酰胺(DMF)溶剂中，磁力搅拌12 h，配制成浓度为6 fft%的前躯体纺丝液Qm
[0013](2)将前躯体纺丝液的溶液转入20 mL注射器中，接入纺丝仪器中，设置电纺丝参数为:电压为10 kV,溶液流速为0.5 mL/h,喷头与接地板的距离为19 cm,所用针头内径为0.6 _。所得纤维在60 °C烘箱里干燥12 h，将最终所得纤维装入洁净的自封袋中以备用。
[0014](3) PAN纳米纤维原位碳化:将上述所得的纤维在Ar氛围中煅烧，煅烧升温过程如下:从室温以2 °C/min的速率升到250 °C，在此温度保温0.5 h，再以1.5 0C /min的速率升到设定温度，并在此温度保温I h，再自然冷却到室温。如在此条件下煅烧前躯体纺丝液的溶液样品到800 °(:被标记为Qtl-SOO(I)，同理，其他在此条件下获得样品分布标记为Ql-500 (I)、Ql-550 (I)、Ql-600 (I)、Ql-650 (I)、Ql-700 (I)、Q2-700 (I)。
[0015]实施例2:
[0016](I)室温下，将 IOmg CNF, 0.4g FeCl3.6H20,1.05g Na2SO4,0.25g NaAc 以及 40mL蒸馏水加入体积为50mL的聚四氟乙烯内衬的反应釜内，然后超声lOmin，再将溶液在室温下放置12h，然后将反应釜放入数字控制恒温干燥箱里，在10(TC反应12h、6h、3h，然后自然冷却至室温。最后，通过离心分离等到黑色的碳纤维膜，分别用无水乙醇、去粒子水洗涤数次，干燥得到最终的FeOOH/CNF复合产物。
[0017](2)Fe203/CNF的制备。将上述FeOOH/CNF复合物0.2g转入小磁舟，放入管式炉，在氩气的的保护下，500°C煅烧3h，冷却至室温，得到Fe203/CNF产物。 实施例3:
所有的电化学性质测量都使用CHI660A型电化学工作站(上海辰华有限公司，中国)测定，电解池采用常见的三电极体系，工作电极为泡沫镍电极，参比电极为饱和甘汞电极(SCE)，辅助电极为钼电极，实验中用到的电解质为lmol/L的Na2SO3溶液，所有的实验均在室温下进行。制备纳米材料修饰电极的过程如下:将泡沫镍剪成lcmX3cm的长方形，把实验的样品包在泡沫镍里面，再用锤子敲打四周，防止样品脱落出来，即得到修饰电极。
【权利要求】
1.一种高比电容磁性材料Fe2O3纳米棒包碳微电缆的制备方法，其特征在于，具体步骤如下:(I)聚丙烯腈纺丝液前驱体的配制；(2)将PAN前驱液制备纳米纤维；(3)PAN纳米纤维原位碳化制备碳纳米纤维；(4) FeOOH/CNF复合纳米材料的制备；(5)煅烧FeOOH/CNF复合纳米材料制备Fe2O3纳米棒包碳微电缆。
【文档编号】H01B13/00GK103915217SQ201410079334
【公开日】2014年7月9日 申请日期:2014年3月6日 优先权日:2014年3月6日
【发明者】胡萍, 柴继红, 吴庆生 申请人:同济大学