一种新型结构的铁碳复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种新型结构的铁碳复合材料及其制备方法，是以微米级炭微球（GAC）作为复合材料的载体，基于柯肯达尔效应，在空气燃烧的驱动力下促使纳米级单质铁扩散到炭微球表面。其中，炭微球是经过悬浮聚合法制备得到，GAC‑GAC‑nZVI的制备是通过还原剂还原硫酸亚铁和包覆酚醛树脂‑碳化‑空烧，依据柯肯达尔效应制得。本发明专利技术提供的这种制备GAC‑GAC‑nZVI的方法不仅实现了对活性炭孔结构进行优化，并同时保证了纳米级单质铁的均匀分散，GAC‑GAC‑nZVI的吸附降解性能大大提高。

A New Structural Iron-Carbon Composite and Its Preparation Method

【技术实现步骤摘要】
一种新型结构的铁碳复合材料及其制备方法
本专利技术涉及铁碳材料领域，尤其是一种新型结构的铁碳复合材料及其制备方法。
技术介绍
碳材料包括碳纳米管，石墨烯和纳米多孔碳，具有特殊的表面积，高孔隙率和可控的纳米结构。这些独特的功能已经被广泛用于许多实际应用。这些有趣的结构特征使其可用于各种应用，包括吸附介质，色谱分离系统，催化剂载体纳米反应器和电池电极，以及超级电容器。使用碳材料作为催化剂载体是碳材料实际应用的最重要领域之一，包括催化湿法处理废水催化湿润污染土壤已有许多研究和实际应用报道。然而，在活性炭的制备中，通常有以下方法来实现比表面积的增加，并且这些方法存在盲目追求高比表面积的问题，导致微观的破坏。活性炭的形貌结构，即高比例。表面积不均衡，微孔结构良好，比表面积越大，甚至可能破坏活性炭的微观结构。目前所缺乏的是增加活性炭的比表面积同时还满足活性炭介孔结构的设计来优化活性炭孔的实际应用。在活性炭的制备和应用中，如果它满足活性炭高的比表面积及具有良好孔结构的活性炭，活性炭的应用肯定会产生倍增效应。
技术实现思路
为了实现新型结构的铁碳复合材料（GAC-GAC-nZVI）的结构优化设计，本专利技术的目的在于提供新型结构的铁碳复合材料及其制备方法，利用活性炭微球制备铁碳复合材料处理甲基橙溶液。为了实现上述目标，本专利技术采用如下的技术方案：一种新型铁碳复合材料，所述新型铁碳复合材料包括以微米级的活性炭微球为复合材料的载体，纳米级单质铁均匀扩散到炭微球的空隙内及表面。进一步的，所述活性炭微球是通过悬浮聚合法制备，所述的新型铁碳复合材料的制得是通过结合传统的铁碳复合材料（GAC-nZVI）制备工艺并包覆酚醛树脂经碳化，再经空烧，利用柯肯达尔效应来完成该复合材料的制备。本专利技术还提供一种新型结构的铁碳复合材料制备方法，包括以下步骤：S1、微米级的活性炭微球的制备：通过悬浮聚合法来制备活性炭微球；S2、铁碳复合材料的制备：以S1中制备得到活性炭微球为载体，通过还原剂硼氢化钾还原FeSO4·7H2O,并包覆酚醛树脂经碳化及利用柯肯达尔效应在空气中加热，制备得到铁碳复合材料。进一步的，所述步骤S1微米级活性炭微球的制备，具体包括以下步骤：S1.1、先将苯酚与甲醛的摩尔比为1：2-2.5的混合物溶于300ml水中，然后将10g三乙胺和1.7g阿拉伯树胶粉混合；S1.2、然后整个体系在95-970C的温度下反应5小时，通过抽滤从反应液中收集酚醛树脂微球，并用水和乙醇反复洗涤，最后在600C干燥；S1.3、将酚醛树脂微球放入带坩埚的高温气氛炉中，通过在8000C的温度下在氮气气氛中炭化2小时来收集碳微球并冷却至室温，将碳微球放入带坩埚的高温气氛炉中，活性炭微球通过在10000C-11000C的二氧化碳气氛下活化1.5小时而收集，自然冷却至室温，其中，所述高温气氛炉的升温速率为30C/min。进一步的，所述步骤S2铁炭复合材料的制备，具体包括以下步骤：S2.1、取微米级活性炭微球置于配制醇水比为3:7的100ml溶液，将1.986gFeSO4·7H2O溶于该溶液中；S2.2、将传统铁碳复合材料在氮气流3Lmin-1下以30C/min的加热速度分别加热至4000C、5000C、6000C、7000C，8000C，整个加热过程保持30min，温度自然冷却降到室温后于氮气瓶中保存；S2.3、将传统铁碳复合材料经过温度处理后，置于已经溶解了酚醛树脂的乙醇溶液，充分浸泡90min后，较低温度下烘干；置于管式炉内通氮气流3Lmin-1状态下，以30C/min的升温速率升温到8000C，保温2h，自然冷却将气氛炉冷却至室温；最后置于马弗炉内通空气状态下，加热至2800C保温60min，自然冷却降温至室温，并进氢气还原后保存。进一步的，所述步骤S2.3中的乙醇溶液在使用之前需要进行脱氧处理。本专利技术的有益之处在于：依据柯肯达尔效应创造性的在活性炭上负载了纳米级单质铁，在优化活性炭结构的前提下大幅度提高其比表面积。采用了简单低成本液相还原法合成新型铁碳复合材料。在合成新型铁碳复合材料过程中为了提高GAC的比表面积及避免纳米铁团聚失活，我们在传统制备GAC-nZVI的工艺基础上又基于柯肯达尔效应，对GAC-nZVI又进行了进一步的结构设计，保证其纳米级单质铁均匀分散在GAC上。我们的方法很好的实现了该碳材料具有结构稳定与高比表面积的性能，并在活性炭上负载了纳米级单质铁，大大提升了其吸附降解的性能。附图说明图1是本专利技术制备新型铁碳复合材料的流程图图2是本专利技术吸附降解甲基橙的原理图；图3是本专利技术不同材料的红外光谱图；图4是本专利技术中不同制备条件的铁碳材料对甲基橙的去除率图；图5是本专利技术中三种不同材料的孔结构参数图；图6是不同材料的孔径分布图；图7是新型铁碳复合材料的SEM图；图7a是新型铁碳复合材料的外观图；图7b是新型铁碳复合材料的分散图。其中：1-GAC;2-Nzvi。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步详述。在此需要说明的是，下面所描述的本专利技术各个实施例中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。在此提供的作用仅为作为优选实施例而已，具有相同或者等同作用的试剂均在本专利技术的保护范围之内。一种新型铁碳复合材料（GAC-GAC-nZVI），是以微米级的活性炭微球为复合材料的载体，纳米级单质铁负载到炭微球的空隙内及表面,其中活性炭微球是通过悬浮聚合法制备，而新型铁碳复合材料又借鉴了传统的制备工艺并包覆酚醛树-碳化-空烧,利用柯肯达尔效应使纳米级单质铁均匀良好的扩散到活性炭微球的表面及空隙内。图3是GAC（图3a）及GAC-GAC-nZVI反应前（图3b）后（图3c）。从图中不同样品的对比可以看出,样品b在457cm-1和517cm-1处的新带对应于Fe-O伸展，表明新型铁碳复合材料被部分氧化。然而，在与MO反应后，GAC-nZVI的新结构中没有出现Fe-O和新产物可能是由于它们的浓度太低而不能使用FTIR检测。图5显示了三种材料的孔结构的多种参数。nZVI-GAC的孔体积分别为597.178m2/g和0.366486cc/g。相比之下，nZVI-GAC（6000C）显示出比nZVI-GAC更大的BET表面积（704.919m2/g）和孔体积（0.366622cc/g）。表明加热可以促进nZVI的分散，增加GAC比表面积和孔体积。GAC-GAC-nZVI具有最大表面积SBET（1347.287m2/g）和多孔（0.735180cc/g），表明GAC的孔结构得到优化，大大的提升了比表面积，这是nZVI由内部扩散到表面从而对GAC扩孔造成的影响，并同时保证纳米铁均匀负载到GAC表面。图6显示了三种材料的孔径分布和吸附解吸曲线。在图6中，a代表nZVI-GAC，b代表nZVI-GAC（6000C），它是在6000C下加热nZVI-GAC后得到的，c代表GAC-GAC-nZVI。通过分析图6，我们发现nZVI-GAC和nZVI-GAC（6000C）的孔径分布基本上是一致的，孔径主要集中在10nm和21nm。由于孔径基本上是一致的，因此两种材料的比表面积不会改变。但是，图6c所示，可以发现GAC-GAC-nZVI在10nm和21nm范围内的孔径变本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种新型结构的铁碳复合材料，其特征在于：所述铁碳复合材料包括以微米级的活性炭微球为复合材料的载体，纳米级单质铁均匀扩散到炭微球的空隙内及表面。

【技术特征摘要】
1.一种新型结构的铁碳复合材料，其特征在于：所述铁碳复合材料包括以微米级的活性炭微球为复合材料的载体，纳米级单质铁均匀扩散到炭微球的空隙内及表面。2.根据权利要求1所述的一种新型结构的铁碳复合材料，其特征在于：所述活性炭微球是通过悬浮聚合法制备，所述的铁碳复合材料的制得是通过结合传统的铁碳复合材料制备工艺并包覆酚醛树脂经碳化，再经空烧，利用柯肯达尔效应来完成该复合材料的制备。3.一种如权利要求1所述新型结构的铁碳复合材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：S1、微米级的活性炭微球的制备：通过悬浮聚合法来制备活性炭微球；S2、铁碳复合材料的制备：以S1中制备得到活性炭微球为载体，通过还原剂硼氢化钾还原FeSO4·7H2O,并包覆酚醛树脂经碳化及利用柯肯达尔效应在空气中加热，制备得到铁碳复合材料。4.根据权利要求3要求所述的新型结构的铁碳复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤S1微米级活性炭微球的制备，具体包括以下步骤：S1.1、先将苯酚与甲醛的摩尔比为1：2-2.5的混合物溶于300ml水中，然后将10g三乙胺和1.7g阿拉伯树胶粉混合；S1.2、然后整个体系在95-970C的温度下反应5小时，通过抽滤从反应液中收集酚醛树脂微球，并用水和乙醇反复洗涤，最后在600C干燥；S1.3、将酚醛树脂微球放入带坩埚的高温气氛炉中，通过在8000...

【专利技术属性】
技术研发人员：王海旺，李金龙，晁力，蒋璐虹，冀成，车玲，商正，孟凡胜，魏新芳，付守军，
申请(专利权)人：东北大学秦皇岛分校，
类型：发明
国别省市：河北,13