一种NiFe2O4/碳纳米片复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种NiFe2O4/碳纳米片复合材料及其制备方法，属于碳复合材料技术领域。本发明专利技术的制备方法包括如下步骤：将甲壳素原料、纤维素原料分别进行TEMPO催化氧化，制得甲壳素纳米纤维悬浮液和纤维素纳米纤维悬浮液；将二者混合均匀得到复合悬浮液；调节复合悬浮液的pH值为12；加入无机盐溶液，混合均匀；180‑200℃下水热反应20‑22h，制得复合水凝胶；浸入水中浸泡至复合水凝胶达到中性，得中性复合水凝胶；冷冻，干燥，制得复合气凝胶；在惰性气氛中，在600℃‑900℃保温3h，即得。本发明专利技术的方法制得的NiFe2O4/碳纳米片复合材料中颗粒分布均匀、尺寸均一。

【技术实现步骤摘要】
一种NiFe2O4/碳纳米片复合材料及其制备方法
本专利技术涉及一种NiFe2O4/碳纳米片复合材料及其制备方法，属于碳复合材料

技术介绍
近年来，无机纳米颗粒/碳复合材料以其优良的性能，在催化、能量储存等领域的应用越来越广泛。然而，无机纳米颗粒在碳复合材料中存在的尺寸大小不易控制，而且难以均匀分布。在一定程度上，这些问题困扰了无机纳米颗粒/碳复合材料相关性能的进一步提升。因此，尺寸可调、均匀分布的无机纳米颗粒/碳复合材料的制备成为当下碳复合材料领域研究的重点。在采用水热法制备无机材料时，其尺寸调控主要通过无机材料形核与长大的协同调控来实现。传统水热法制备无机材料时缺乏足够多的形核中心，导致无机纳米颗粒尺寸的可调控性较差。开发一种采用水热法制备无机纳米颗粒/碳复合材料并保证无机材料均匀分布、大小均一、表现出良好的复合微观形貌的制备方法显得意义重大。
技术实现思路
本专利技术提供一种NiFe2O4/碳纳米片复合材料的制备方法，其制得的NiFe2O4/碳纳米片复合材料中颗粒分布均匀、尺寸均一。本专利技术还提供一种上述方法制得的NiFe2O4/碳纳米片复合材料。本专利技术解决上述技术问题所采用的技术方案如下：一种NiFe2O4/碳纳米片复合材料的制备方法，包括如下步骤：1）将甲壳素进行TEMPO催化氧化，然后进行超声分散，离心分离，蒸发浓缩，制得甲壳素纳米纤维悬浮液；将纤维素原料进行TEMPO催化氧化，然后进行超声分散，离心分离，蒸发浓缩，制得纤维素纳米纤维悬浮液；2）将步骤1）制得的甲壳素纳米纤维悬浮液与纤维素纳米纤维悬浮液混合均匀，得到复合悬浮液；调节复合悬浮液的pH值为12；3）向调节pH值后的复合悬浮液中加入无机盐溶液，所述无机盐溶液中含有镍离子和铁离子；混合均匀；180-200℃下水热反应20-22h，制得复合水凝胶；4）将复合水凝胶浸入水中浸泡至复合水凝胶达到中性，得中性复合水凝胶；5）将步骤4）得到的中性复合水凝胶进行冷冻，干燥，制得复合气凝胶；6）将步骤5）制得的复合气凝胶在惰性气氛中，在600℃-900℃保温0.5-4h，即得。本专利技术采用纤维素纳米纤维（CNFs）悬浮液和甲壳素纳米纤维（CFs）悬浮液，并将两者混合得到均匀的混合悬浮液制成水凝胶，采用冷冻的手段，利用冷冻时冰晶生长将纤维素纳米纤维、甲壳素纳米纤维及无机纳米颗粒随机挤压到相邻冰晶间隙处，实现天然纳米纤维在微观尺度下的随机堆积，并形成纤维素纳米纤维/甲壳素纳米纤维/无机纳米颗粒随机堆积多孔膜。冷冻后得到相应的气凝胶，最后在惰性气氛下碳化得到基于天然纳米纤维材料的堆积多孔NiFe2O4/碳纳米片复合材料。由于纤维素纳米纤维与甲壳素纳米纤维结构上的关联性，本专利技术采用在悬浮液中使二者混合，能够得到分散均匀程度非常高的混合分散体。将复合水凝胶浸入水中浸泡，可以使复合水凝胶达到中性。在水中浸泡的时间为12-24h。在冷冻过程中，由于冰晶的生长，纤维素纳米纤维/甲壳素纳米纤维/无机纳米颗粒会被随机堆积到相邻冰晶的间隙中形成纤维素纳米纤维/甲壳素纳米纤维/无机纳米颗粒随机堆积多孔膜，然后再干燥，制备出由纤维素纳米纤维/甲壳素纳米纤维/无机纳米颗粒随机堆积多孔膜构成的复合气凝胶。最终碳化后得到具有均匀空隙结构、尺寸可调、分布均匀的无机纳米颗粒/碳纳米片材料。而且，由于甲壳素纳米纤维与纤维素纳米纤维的均匀分散，使得甲壳素带来的氮元素也能够非常均匀地分散在气凝胶中，进而均匀分散在碳材料中，在最终得到的NiFe2O4/碳纳米片复合材料中，氮元素能够均匀分布。所述NiFe2O4/碳纳米片复合材料为电容器用NiFe2O4/碳纳米片复合材料。步骤1）中将纤维素纳米纤维进行TEMPO催化氧化是将纤维素纳米纤维分散到水中，室温下混合均匀后进行TEMPO催化氧化。同样的，步骤1）中将甲壳素进行TEMPO催化氧化是将甲壳素分散到水中，室温下混合均匀后进行TEMPO催化氧化。步骤1）中纤维素纳米纤维悬浮液中纤维素纳米纤维的质量分数为0.1-10%。优选的，纤维素纳米纤维悬浮液中纤维素纳米纤维的质量分数为0.8-1%。此处的质量分数是指纤维素纳米纤维悬浮液中纤维素纳米纤维的质量占纤维素纳米纤维悬浮液总质量的百分比。步骤1）中甲壳素纳米纤维悬浮液中甲壳素纳米纤维的质量分数为0.1-10%。优选的，甲壳素纳米纤维悬浮液中甲壳素纳米纤维的质量分数为3-3.5%。此处的质量分数是指甲壳素纳米纤维悬浮液中甲壳素纳米纤维的质量占甲壳素纳米纤维悬浮液总质量的百分比。甲壳素纳米纤维悬浮液中甲壳素纳米纤维的质量分数是纤维素纳米纤维悬浮液中纤维素纳米纤维的质量分数的1-4倍。优选的，甲壳素纳米纤维悬浮液中甲壳素纳米纤维的质量分数是纤维素纳米纤维悬浮液中纤维素纳米纤维的质量分数的4倍。步骤1）中，将甲壳素进行TEMPO催化氧化时，超声分散的超声功率为350-900W。超声分散时间为5-20min。离心分离是在5000-10000r/min的转速下离心分离。离心分离后去上清液，将底部剩余物进行蒸发浓缩。步骤1）中，将纤维素原料进行TEMPO催化氧化时，超声分散的超声功率为350-900W。超声分散时间为5-30min。离心分离是在5000-10000r/min的转速下离心分离。离心分离后去上清液，将底部剩余物进行蒸发浓缩。步骤1）中蒸发浓缩是真空旋转蒸发浓缩。步骤2）中，甲壳素纳米纤维悬浮液与纤维素纳米纤维悬浮液混合均匀是将纤维素纳米纤维悬浮液加入甲壳素纳米纤维悬浮液中，搅拌5-30min。步骤2）中复合悬浮液中甲壳素纳米纤维和纤维素纳米纤维的总的固含量是0.1%-3%。优选为2-3%。步骤2）中甲壳素纳米纤维悬浮液与纤维素纳米纤维悬浮液混合时，甲壳素纳米纤维悬浮液与纤维素纳米纤维悬浮液的质量比为4-6:1。优选为4:1。调节复合悬浮液的pH值为12时采用氢氧化钠溶液。优选的，采用6mol/L的NaOH溶液。步骤3）中复合水凝胶为纤维素纳米纤维/甲壳素纳米纤维/NiFe2O4纳米颗粒水凝胶。所述无机盐溶液为可溶性镍盐和可溶性铁盐的混合溶液或者无机盐溶液包括可溶性镍盐溶液和可溶性铁盐溶液。所述无机盐溶液中，镍离子与铁离子的摩尔比为1-2:2-4。优选的，为1:2。步骤5）中，所述冷冻是液氮下或冰箱中冷冻。优选的，所述冷冻为液氮冷冻。冷冻的温度为-196℃。冷冻的时间为15min。步骤5）中的干燥可以采取现有技术中的方式，优选冷冻干燥方式。冷冻干燥的时间为24-48h。冷冻干燥的温度为-40℃。冷冻干燥的时真空度为100millitorr。步骤6）中在600℃-900℃保温是先以1℃/min的升温速度升温至400℃，然后以3℃/min的升温速度升温至600℃-900℃进行保温。或者是先以1℃/min的升温速度升温至400℃，然后以3℃/min的升温速度升温至600℃，并在600℃下保温0.5-4h，然后以3℃/min的升温速率升温至700℃，并在700℃下保温0.5-4h，然后以3℃/min的升温速率升温至800℃，并在800℃下保温0.5-4h，然后以3℃/min的升温速率升温至900℃，并在900℃下保温0.5-4h。步骤6）中，所述惰性气氛为Ar或N2气氛。所述纤维素原料为木浆、棉浆、本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种NiFe2O4/碳纳米片复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：1）将甲壳素原料进行TEMPO催化氧化，然后进行超声分散，离心分离，蒸发浓缩，制得甲壳素纳米纤维悬浮液；将纤维素原料进行TEMPO催化氧化，然后进行超声分散，离心分离，蒸发浓缩，制得纤维素纳米纤维悬浮液；2）将步骤1）制得的甲壳素纳米纤维悬浮液与纤维素纳米纤维悬浮液混合均匀，得到复合悬浮液；调节复合悬浮液的pH值为12；3）向调节pH值后的复合悬浮液中加入无机盐溶液，所述无机盐溶液中含有镍离子和铁离子；混合均匀；180‑200℃下水热反应20‑22h，制得复合水凝胶；4）将复合水凝胶浸入水中浸泡至复合水凝胶达到中性，得中性复合水凝胶；5）将步骤4）得到的中性复合水凝胶进行冷冻，干燥，制得复合气凝胶；6）将步骤5）制得的复合气凝胶在惰性气氛中，在600℃‑900℃保温0.5‑4h，即得。

【技术特征摘要】
1.一种NiFe2O4/碳纳米片复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：1）将甲壳素原料进行TEMPO催化氧化，然后进行超声分散，离心分离，蒸发浓缩，制得甲壳素纳米纤维悬浮液；将纤维素原料进行TEMPO催化氧化，然后进行超声分散，离心分离，蒸发浓缩，制得纤维素纳米纤维悬浮液；2）将步骤1）制得的甲壳素纳米纤维悬浮液与纤维素纳米纤维悬浮液混合均匀，得到复合悬浮液；调节复合悬浮液的pH值为12；3）向调节pH值后的复合悬浮液中加入无机盐溶液，所述无机盐溶液中含有镍离子和铁离子；混合均匀；180-200℃下水热反应20-22h，制得复合水凝胶；4）将复合水凝胶浸入水中浸泡至复合水凝胶达到中性，得中性复合水凝胶；5）将步骤4）得到的中性复合水凝胶进行冷冻，干燥，制得复合气凝胶；6）将步骤5）制得的复合气凝胶在惰性气氛中，在600℃-900℃保温0.5-4h，即得。2.根据权利要求1所述的NiFe2O4/碳纳米片复合材料的制备方法，其特征在于，步骤1）中纤维素纳米纤维悬浮液中纤维素纳米纤维的质量分数为0.1-10%。3.根据权利要求1所述的NiFe2O4/碳纳米片复合材料的制备方法，其特征在于，步骤1）中甲壳素纳米纤维悬浮液中甲壳素纳米纤维的质量分数为0.1-10%。4...

【专利技术属性】
技术研发人员：高可政，牛庆媛，孔华杰，王力臻，
申请(专利权)人：郑州轻工业学院，
类型：发明
国别省市：河南,41