一种纳米Fe3C颗粒复合碳基导电膜及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种纳米Fe3C颗粒复合碳基导电膜及其制备方法。该发明专利技术利用碳基导电薄膜通电产生的焦耳热，对负载其上的含铁原料进行高温处理并与碳基导电膜发生反应，继而得到均匀负载Fe3C纳米颗粒的碳基导电复合膜。该发明专利技术以具有快速升、降温特性的纳米碳基宏观薄膜通电后产生的焦耳热加热代替了传统的管式炉或箱式炉的加热过程，整个流程具有步骤简单、合成快速、能耗低的优势。能耗低的优势。能耗低的优势。

【技术实现步骤摘要】
一种纳米Fe3C颗粒复合碳基导电膜及其制备方法


[0001]本专利技术属于纳米复合材料及其制备
，具体涉及一种纳米Fe3C颗粒复合碳基导电膜及其制备方法。

技术介绍

[0002]出于环境保护的考虑，现代社会对各类清洁能源展开了广泛且深入的研究，意图用新的清洁能源取代污染大且不可持续的化石能源，无论是分解水制氢、还是二次电池领域近年来都取得了极大的进展。过渡金属碳化物在这两个领域都有较为广泛的研究和应用，而其中Fe3C纳米材料是其中的佼佼者。例如，纳米Fe3C颗粒用作催化剂，具有抗毒化性能好、稳定性高、活性高、比表面积大等优点；还可作为材料表面硬质涂层、具有良好的磁学性能等，是一种非常优异的具有多功能特性的材料。
[0003]鉴于上述优势，众多研究者争相探索Fe3C纳米颗粒合成方法，但总体上还是局限于传统的气、固还原渗碳法以及热解合成等。例如，杨澍等人报道了一种甲醇/乙醇
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氢气还原铁矿石制备Fe3C的方法（甲醇/乙醇
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氢气还原铁矿石制备Fe3C研究[J]. 有色金属科学与工程，2017，8(01)：8
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14）。他们将球团矿试样置于刚玉坩埚中，通入氮气，将管式炉升至700℃，恒温后停止，再通入H2持续2h进行还原，再混合N2通入甲醇，甲醇输入完毕后，改为通N2保护，最终制得Fe3C。尽管这种方式得到的产物晶体结构致密，但产物纯度低，且气体渗碳法能耗高、耗时长，效率偏低；且实验中需使用氢气、甲醇等，具有一定的危险性。王凤云等人报道了一种Fe3C/N<br/>‑
CNF@RGO复合结构的制备方法（一种新型Fe3C/N
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CNF@RGO集成电极的制备方法[P]，CN112736221A）。她们将FeCl3·
6H2O和聚丙烯腈溶解在10mL N，N
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二甲基甲酰胺中，再向溶液中加入聚甲基丙烯酸甲酯，在60℃下磁力搅拌12h得到聚合物前驱体溶液。进一步将该前驱体溶液通过静电纺丝制得纤维膜，再经干燥、退火还原处理，得到Fe3C/N
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CNF复合材料。该方法合成的Fe3C颗粒较大且分布不均，合成过程需要长时间高温煅烧，能耗高、效率低，而且合成过程繁琐。贺高红等人报道了一种基于Fe3C纳米颗粒的电极材料的制备方法（一种锂硫电池正极材料及其制备方法[P]，CN111900407B）。该方法制得的Fe3C纳米颗粒粒径在5
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10nm，且尺寸分布较为均匀。但是，实验中需要的陈化、预氧化、碳化等一系列制备过程耗时长，且不可避免地需要使用传统马弗炉及管式炉等控温速率低、且能耗高的设备进行加热。乔校畅等人报道了一种含碳框架结构包裹Fe3C催化剂的制备方法（石墨烯/碳纳米管框架包裹Fe3C催化剂、制备及应用[P]，CN110492115B）。他们将三聚氰胺、PVDF和醋酸亚铁混合均匀，继而经过高温煅烧、强酸清洗等步骤，并再次高温煅烧制得最终产物。该方法制备的Fe3C纳米颗粒粒径分布均匀性较差，且制备过程中须经多次煅烧处理，能耗高、耗时长。因此，开发出一种能以低能耗、高效率、无污染的方式快速制备Fe3C纳米颗粒及其复合结构的方法，对于科学研究和实际应用来说都具有重要意义。

技术实现思路

[0004]本专利技术为了解决现有技术的短板，提供了一种纳米Fe3C颗粒复合碳基导电膜及其
制备方法。
[0005]本专利技术通过如下方案解决上述技术问题：一种纳米Fe3C颗粒复合碳基导电膜及其制备方法，在碳基导电膜两端通电，利用其产生的焦耳热响应快速加热负载在薄膜上的含铁原料，并利用该铁源与薄膜中的碳源发生反应，得到在碳基膜上均匀负载的Fe3C纳米颗粒，获得所需复合膜。
[0006]其中，焦耳热源包括但不限于碳纳米管薄膜、石墨烯薄膜、MXene薄膜及一般碳基纤维制成的导电薄膜，或者基于以上碳基材料的复合薄膜。
[0007]其中，所述的Fe3C纳米颗粒制备过程所需的Fe元素来源包括但不限于铁单质，铁的化合物以及铁基聚合物。
[0008]一种纳米Fe3C颗粒复合碳基导电膜及其制备方法，具体包括以下步骤：（1）取一片碳基导电膜，用浓盐酸将其浸泡或丙酮浸泡超声清洗以除去其中所含催化剂等杂质；（2）制备含铁源混合溶液/悬浮液，将碳基导电膜在该含铁源溶液中浸泡或将铁源物质抽滤/涂覆到碳基导电膜上进行铁源负载并烘干待用；（3）在负载有铁源的碳基导电膜的两端通电，利用薄膜产生的焦耳热还原铁源，并与薄膜表面的碳反应，制得Fe3C纳米颗粒。
[0009]其中，步骤（3）中的焦耳热处理是在真空或惰性气氛保护下进行的。
[0010]其中，步骤（3）中的焦耳热处理升温速度为400~1000℃/s。
[0011]作为优选的技术方案，步骤（1）的具体步骤为：取一片10μm厚碳纳米管薄膜，用浓盐酸将其浸泡6h以除去其中所含催化剂等杂质。
[0012]步骤（2）的具体步骤为：将40mg无水三氯化铁溶于20mL无水乙醇中，配得2mg/mL浓度的三氯化铁乙醇混合溶液，将裁切后的10μm厚碳纳米管薄膜在上述溶液中浸泡24h。
[0013]其中，步骤（3）的具体步骤为：将负载了FeCl3的碳纳米管薄膜在鼓风干燥箱中干燥1h后取出；利用导电银胶将其两端粘在焦耳热加热炉中的样品架上，开启真空泵，将腔体内抽至一定的真空度并接入直流电源。保持40V恒压1min，碳纳米管薄膜表面在2秒内可升温至1000℃，将FeCl3还原，最终得到碳纳米管薄膜上均匀分布的超细Fe3C纳米颗粒。
[0014]作为优选的技术方案，步骤（1）的具体步骤为：取一片0.2mm厚亲水碳纤维纸，用丙酮将其浸泡超声清洗30min以除去其中杂质。
[0015]步骤（2）的具体步骤为：将40mg无水三氯化铁溶于20mL无水乙醇中，配得2mg/mL浓度的三氯化铁乙醇混合溶液，将裁切后的0.2mm厚碳纸在上述溶液中浸泡24h。
[0016]其中，步骤（3）的具体步骤为：将负载了FeCl3的碳纸在鼓风干燥箱中干燥1h后取出；利用导电银胶将其两端粘在焦耳热加热炉中的样品架上，开启真空泵，将腔体内抽至一定的真空度并接入直流电源。保持14V恒压1min，碳纸表面在3秒内可达到1000℃，继而将FeCl3还原，得到在亲水碳纸上均匀分布的超细Fe3C纳米颗粒。
[0017]作为优选的技术方案，步骤（1）的具体步骤为：取一片10μm厚石墨烯薄膜，用浓盐酸将其浸泡6h以除去其中所含催化剂等杂质。
[0018]步骤（2）的具体步骤为：将1g无水三氯化铁溶于20mL去离子水中，搅拌均匀配得50mg/mL浓度的三氯化铁溶液，向上述溶液中加入80mL沸腾去离子水，加热溶液至溶液变为红褐色，再加入1%的PVP，搅拌溶解成均匀溶液，再在裁切后的10μm厚石墨烯薄膜上抽滤5mL
上述溶液进行负载。
[0019]其中，步骤（3）的具体步骤为：将负载了氢氧化铁纳米胶体颗粒的石墨烯薄膜在鼓风干燥箱中干燥1h后取出；利用导电银胶本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种纳米Fe3C颗粒复合碳基导电膜及其制备方法，其特征在于其超快响应的焦耳热合成过程，该过程是在碳基导电膜两端通电，利用其产生的焦耳热响应快速加热负载在薄膜上的含铁原料，并利用该铁源与薄膜中的碳源发生反应，得到在碳基导电膜上均匀负载的Fe3C纳米颗粒，获得所需复合膜。2.根据权利要求1所述的一种纳米Fe3C颗粒复合碳基导电膜及其制备方法：所述的碳基导电膜包括但不限于碳纳米管薄膜、石墨烯薄膜、MXene薄膜及一般碳基纤维制成的导电薄膜，或者基于以上碳基材料的复合薄膜。3.根据权利要求1所述的一种纳米Fe3C颗粒复合碳基导电膜及其制备方法：所述的含铁原料包括但不限于铁单质，铁的化合物以及铁基聚合物。4.根据权利要求1所述的一种纳米Fe3C颗粒复合碳基导电膜...

【专利技术属性】
技术研发人员：孟凡成，刘虎，李舒琳，徐斌，赵一昕，程盛，刘节华，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：