一种原位负载铁铜双金属的碳纳米纤维复合材料的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种原位负载铁铜双金属的碳纳米纤维复合材料的制备方法。以乙酰丙酮铁为铁源、乙酸铜为铜源及聚丙烯腈为碳源，利用静电纺丝的方法制备出了含有铁铜盐的聚丙烯腈纤维。将含有铁铜盐的聚丙烯腈纤维在惰性气体下高温碳化后，利用碳热还原，原位制备出负载铁铜双金属的碳纳米纤维复合材料。本发明专利技术操作简便，成本低，设备要求低，对材料结构的调控性强。本发明专利技术制得的原位负载铁铜双金属的碳纳米纤维复合材料比表面积高，对橙二号等染料具有优异的催化降解性能。

【技术实现步骤摘要】
一种原位负载铁铜双金属的碳纳米纤维复合材料的制备方法
本专利技术涉及一种纳米复合材料的制备方法，特别是一种原位负载铁铜双金属的碳纳米纤维复合材料的制备方法，属于材料制备领域。
技术介绍
铁铜双金属纳米粒子具有粒径小、比表面积大、表面活性高以及廉价易得等特点，在催化、能源、环境修复和污染治理中具有广阔的应用前景。但是铁铜双金属纳米粒子存在易团聚、易氧化、易流失等问题，团聚后粒径增大，比表面积降低，反应活性降低在实际处理中存在着应用瓶颈。针对铁铜双金属纳米粒子的缺点，通常利用多孔材料为载体，与铁铜双金属纳米粒子相结合制备出性能突出的复合材料。目前，用于制备负载型的铁铜双金属纳米粒子复合材料的方法主要包括纳米共浇铸法，液相浸渍还原法和多组分共组装法。多组分共组装法与前两种方法相比具有操作简便，负载的金属纳米粒子稳定，能耗低，适合工业化生产等优点。目前，负载型铁铜双金属纳米粒子的复合材料主要基于二维结构的载体。Xia等[M.Xia,etal,W.M.CaiandB.X.Zhou,Appl.Catal.B:Environ.110(2011)118-125]通过溶胶凝胶共沉淀的方法制备了负载铁铜双金属氧化物的Al-MCM-41复合材料，铁铜双金属氧化粒子可以较好的分散在介孔硅材料的基体上，并对苯酚的降解展现出良好的催化性能。Wang等[Y.B.Wang,etal,Appl.Catal.B:Environ.164(2015)396-406]通过一步法多组分共组装的方法制备了负载铁铜双金属的有序介孔碳复合材料，铁铜双金属纳米粒子可以较好的嵌入介孔碳的骨架，并对多种有机污染物的降解展现出良好的催化性能。近年来，一维纳米结构的材料由于其独特的结构优势，在光、电、传感器及催化方面受到研究者的广泛关注[A.Yousef,etal,Int.J.HydrogenEnergy37(2012)17715-17723]。众所周知，催化反应速率与电子转移速率息息相关。碳纳米纤维，作为一维纳米纤维结构，由于它高的纵横比、利于电子传递等特性，在催化反应中表现出极大的潜力[X.Q.Zhang,etal.Mater.Chem.A1(2013)9449-9455]。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种原位负载铁铜双金属的碳纳米纤维复合材料的制备方法，通过将乙酰丙酮铁，乙酸铜及聚丙烯腈混合后进行静电纺丝，得到含有铁铜盐的聚丙烯腈纤维，再将含有铁铜盐的聚丙烯腈纤维碳化，得到原位负载铁铜双金属的碳纳米纤维复合材料，制得的复合材料具有优异的催化活性。实现本专利技术目的的技术方案如下：一种原位负载铁铜双金属的碳纳米纤维复合材料的制备方法，具体步骤如下：步骤1，将乙酰丙酮铁，乙酸铜及聚丙烯腈(PAN)加入到N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中，加热搅拌至混合均匀，得到静电纺丝溶液；步骤2，设置纺丝电压为16-18kV，接收距离为14-16cm，将步骤1得到的静电纺丝溶液进行静电纺丝，得到含有铁铜盐的聚丙烯腈纤维；步骤3，将含有铁铜盐的聚丙烯腈纤维置于马弗炉中，以0.5-1℃/min的升温速率升至220-240℃进行活化2-3h，然后在惰性气氛中，以3-5℃/min的升温速率升至850-950℃下碳化2-3h，得到原位负载铁铜双金属的碳纳米纤维复合材料。步骤1中，所述的乙酰丙酮铁与乙酸铜的摩尔比为1-3:3-1；乙酰丙酮铁与PAN的摩尔比为1-3:0.0067；乙酰丙酮铁与DMF的摩尔比为1-3:260；搅拌时间为2-4h。步骤2中，静电纺丝的推动速度为1.4-1.5mL/h。步骤3中，所述的惰性气氛为氮气或氩气。本专利技术与现有技术相比，其显著优点是：(1)通过一步法同时引入碳源和金属盐，具有操作简单，成本低，设备要求简便等优点；(2)以铁盐及铜盐前驱物为原料，利用碳化过程还原金属盐，同时实现了材料的碳化及纳米粒子的原位形成，简单易得，无污染；(3)在碳纳米纤维基体中原位负载铁铜双金属的纳米复合材料比表面积大，制得的纳米粒子粒径较小且均匀的分布于载体上；(4)该方法制得的碳纳米纤维基体中原位负载铁铜双金属的纳米复合材料在催化、能源、分离以及环境污染的修复等领域有广阔的应用前景。附图说明图1为对比例1制得的Fe/CNF(A)、实施例1制得的FeCu/CNF-1(B)和对比例2制得的Cu/CNF(C)纳米复合材料的扫描电子显微镜图。图2为对比例1制得的Fe/CNF(A)、实施例1制得的FeCu/CNF-1(B)和对比例2制得的Cu/CNF(C)制得的纳米复合材料的透射电子显微镜图。图3为对比例1制得的Fe/CNF、实施例1制得的FeCu/CNF-1和对比例2制得的Cu/CNF制得的纳米复合材料的广角X-射线粉末衍射图。图4为对比例1制得的Fe/CNF、实施例1制得的FeCu/CNF-1和对比例2制得的Cu/CNF制得的纳米复合材料的氮气吸附/脱附等温线图。图5为对比例1制得的Fe/CNF、实施例1制得的FeCu/CNF-1和对比例2制得的Cu/CNF制得的纳米复合材料对于橙二号染料的催化降解效果图。具体实施方式下面结合实施例和附图对本专利技术作进一步详述。实施例1以Fe：Cu：PAN摩尔比为1:3:0.0067为例，命名为FeCu/CNF-1。第一步：将1mmol的乙酰丙酮铁，3mmol的乙酸铜及1g聚丙烯腈(PAN)投加于20mLN,N-二甲基甲酰胺(DMF)溶液中，60℃下加热搅拌2h以形成均相的溶液；第二步：将上述制备的溶液置于带金属针头的注射器中，再将此注射器固定在静电纺丝装置的正极，并将高压电源的正极夹在金属针头上，注射器的推速为1.47mL/h；第三步：将铝膜平铺于静电纺丝装置的收集板上，并调节收集板与金属针头的距离为15cm，电压为18kV，以得到连续稳定的含有铁铜盐的聚丙烯腈纤维；第四步：收集第三步所得的含铁铜的聚丙烯腈纤维，并置于马弗炉中以1℃/min的升温速率升至240℃活化3h，再将活化后的产物置于管式炉中，在惰性气氛中以5℃/min的升温速率升至900℃碳化2h。实施例2以Fe：Cu：PAN摩尔比为2:2:0.0067为例，命名为FeCu/CNF-2。第一步：将2mmol的乙酰丙酮铁，2mmol的乙酸铜及1g聚丙烯腈(PAN)投加于20mLN,N-二甲基甲酰胺(DMF)溶液中，60℃下加热搅拌2h以形成均相的溶液；第二步：将上述制备的溶液置于带金属针头的注射器中，再将此注射器固定在静电纺丝装置的正极，并将高压电源的正极夹在金属针头上，注射器的推速为1.4mL/h；第三步：将铝膜平铺于静电纺丝装置的收集板上，并调节收集板与金属针头的距离为14cm，电压为18kV，以得到连续稳定的含有铁铜盐的聚丙烯腈纤维；第四步：收集第三步所得的含铁铜的聚丙烯腈纤维，并置于马弗炉中以0.5℃/min的升温速率升至240℃活化2h，再将活化后的产物置于管式炉中，在惰性气氛中以3℃/min的升温速率升至850℃碳化3h。实施例3以Fe：Cu：PAN摩尔比为3:1:0.0067为例，命名为FeCu/CNF-3。第一步：将3mmol的乙酰丙酮铁，1mmol的乙酸铜及1g聚丙烯腈(PAN)投加于20mLN,N-二甲基甲酰胺(DMF)溶液中，60℃下加热搅拌4h以形成均相的溶液本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种原位负载铁铜双金属的碳纳米纤维复合材料的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：步骤1，将乙酰丙酮铁，乙酸铜及聚丙烯腈加入到N,N‑二甲基甲酰胺中，加热搅拌至混合均匀，得到静电纺丝溶液；步骤2，设置纺丝电压为16‑18kV，接收距离为14‑16cm，将步骤1得到的静电纺丝溶液进行静电纺丝，得到含有铁铜盐的聚丙烯腈纤维；步骤3，将含有铁铜盐的聚丙烯腈纤维置于马弗炉中，以0.5‑1℃/min的升温速率升至220‑240℃进行活化2‑3h，然后在惰性气氛中，以3‑5℃/min的升温速率升至850‑950℃下碳化2‑3h，得到原位负载铁铜双金属的碳纳米纤维复合材料。

【技术特征摘要】
1.一种原位负载铁铜双金属的碳纳米纤维复合材料的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：步骤1，将乙酰丙酮铁，乙酸铜及聚丙烯腈加入到N,N-二甲基甲酰胺中，加热搅拌至混合均匀，得到静电纺丝溶液；步骤2，设置纺丝电压为16-18kV，接收距离为14-16cm，将步骤1得到的静电纺丝溶液进行静电纺丝，得到含有铁铜盐的聚丙烯腈纤维；步骤3，将含有铁铜盐的聚丙烯腈纤维置于马弗炉中，以0.5-1℃/min的升温速率升至220-240℃进行活化2-3h，然后在惰性气氛中，以3-5℃/min的升温速率升至8...

【专利技术属性】
技术研发人员：李健生，王晶，刘超，胡兴茹，罗瑞，王连军，孙秀云，沈锦优，韩卫清，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32