[发明专利]一种羟基和氨基功能化的海胆状碳包覆四氧化三铁材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种碳纳米材料，尤其是涉及一种羟基和氨基功能化的海胆状碳包覆四氧化三铁材料及其制备方法。

背景技术

氧化铁(Fe₃O₄)是一种重要的过渡金属氧化物，作为磁性材料，在工业生产和科学研究中备受关注。制备磁性氧化铁纳米材料及其复合材料的基本方法有溶胶-凝胶法、强迫水解法、共沉淀法、水热合成法等。近年来，尺寸大小从纳米级到微米级和结构不同的球形碳材料已经成功的通过多种方法制备出来。水热/溶剂热是目前制备纳米材料的有效方法之一。碳包覆氧化铁纳米材料将磁性氧化铁包覆于碳壳层中，降低了氧化铁的细胞毒性和生物可降解性，避免其与外界的化学反应，而且保持良好的磁性。可用于生物分离、催化剂载体、磁共振成像等领域(Xiaoming Sun，Junfeng Liu，Yadong Li，Oxides@C core-shell nanostructures：one-pot synthesis，rational conversion，and Li storage property.Chem.Mater.，2006，18：3486-3494)。碳包覆磁性氧化铁具有核壳结构材料的制备，一般需先制备磁性氧化铁颗粒，后再以催化热解的方法，将碳前驱体沉积在氧化铁颗粒的表面。但此制备方法需要两步合成，而且收率不高。

三维(3D)纳米结构是指由一维纳米颗粒组装而成的，晶体尺寸至少在一个方向上在几个纳米范围内的材料。3D纳米材料由于其良好的性能而具有潜在的应用价值，倍受关注。如3D花状氧化铁、花状CuO和花状ZnO等材料合成已有报道。微米结构的磁性氧化铁材料在催化以及分离上有广泛的应用前景，花状三氧化二铁被报道具有良好的重金属离子吸附性能，有望用于水污染处理等。但碳包覆四氧化三铁材料的3D纳米结构的合成未见报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种羟基和氨基功能化的海胆状碳包覆四氧化三铁材料及其制备方法。

本发明所述的羟基和氨基功能化的海胆状碳包覆四氧化三铁材料以纳米四氧化三铁为内核，在内核表面包覆一层碳包覆层，内核的粒径为5～150nm，碳包覆层表面含有氨基和羟基基团，碳包覆层表面呈海胆状突起，所述的碳包覆层含有无定形碳和石墨化碳，产物中C/N原子个数比为(4.5～10)∶1，C/O原子个数比为(10.3～15)∶1。

所述的羟基和氨基功能化的海胆状碳包覆四氧化三铁材料的粒径为数十纳米至数十微米之间。

本发明所述的羟基和氨基功能化的海胆状碳包覆四氧化三铁材料的制备方法包括以下步骤：

1)按摩尔比，将三氯苯酚和二茂铁溶解于聚合物中，形成三氯苯酚浓度为0.02～0.005mol/L的溶液A；

2)在溶液A中加入氨水，作为羟基和氨基功能化的海胆状碳包覆四氧化三铁材料表面氨基的来源，超声溶解后得到溶液B；

3)将溶液B转移至反应釜中反应；

4)收集反应产物，洗涤后得羟基和氨基功能化的海胆状碳包覆四氧化三铁材料。

按摩尔比，三氯苯酚∶二茂铁最好为1∶(0.1～10)；聚合物最好选自乙二醇、丙三醇或聚乙二醇等，聚乙二醇的聚合度最好为200～800。

按摩尔比，氨水的浓度最好为0.1～2mol/L。

在步骤3)中，反应的温度最好为180～300℃，反应的时间最好为6～36h。

所述洗涤最好用乙醇超声洗涤。

产物经扫描电镜、透射电镜表征，在不同的反应条件下，可得到不同形貌但都呈疏松结构的羟基和氨基功能化的海胆状碳包覆四氧化三铁材料。经过X射线衍射表征和标准数据库对照，证明产物为四氧化三铁纳米颗粒和碳；经过高分辨电镜表征、电子衍射花样、X射线光电子能谱表征和拉曼光谱数据结合，证明疏松海胆状碳包覆有四氧化三铁纳米颗粒，粒径为5～150nm；X射线光电子能谱数据和红外数据结合，证实了表面有羟基和氨基的存在。通过对X射线光电子能谱数据分析得到产物中C/N原子个数比为(4.5～15)∶1，C/O原子个数比为(5.3～25)∶1。

本发明由于在反应中加入氮源，而在产物中引入了氨基，并在反应条件下，保留了碳源原有的羟基，制备得到了羟基和氨基功能化的海胆状碳包覆四氧化三铁材料。由于所述材料的具有海胆状的疏松结构，表面的氨基和羟基功能基团利于进一步的化学修饰，也可原位引入贵金属纳米粒子。羟基和氨基功能化的海胆状碳包覆四氧化三铁材料具有四氧化三铁内核，其具有磁性，作为催化剂载体，可便于产物和载体的分离。

附图说明