[发明专利]一种磁性铁碳复合材料及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及碳复合材料制备工艺，具体涉及一种磁性铁碳复合材料及其制备方法和应用。 

背景技术

当今社会正面临着一场能源危机及可持续发展等考验，催化化学在经济发展和能源生产中起着极其重要的作用。常见催化剂活性中心主要为贵金属纳米粒子或配位化合物，在催化反应过程，尤其是液相反应，活性组分易于流失，既造成环境污染，又导致催化过程成本高昂。因此，开发无污染、可回收、能够实现循环利用的催化剂具有重要的应用价值。 

碳材料无毒、化学性质稳定、原料易得、可广泛用作催化剂载体材料。铁系材料及其氧化物具有磁性，可以用磁场轻易将其从其他物质中分离出来，和利用磁性导向作用。将铁系材料与碳材料复合的材料可能具备化学性质稳定、无毒无污染、易于回收循环利用等特点。现有技术中，如专利(CN102442658A)报导的碳包覆四氧化三铁纳米复合材料的制备方法，该材料可用于众多生物检测、药物定向以及核磁共振的造影成像等方面。专利(CN102389980A)报导的包裹碳层的具有碟翅微观结构的纳米级金属铁及其制备方法。该方法利用生物体的特征制备了一种有生物微观结构的铁磁性材料。专利(200810154299.0)报导的具有超顺磁性单层氧化石墨与四氧化三铁纳米粒子复合杂化材料及其制备方法和应用，该材料可用于抗肿瘤药物盐酸阿霉素负载。专利(CN101800125A)报导的热裂解方法合成碳包覆磁性四氧化三铁纳米粒子，以乙二胺四乙酸铁钠盐为原料合成。以及其他的金属碳复合材料的合成，如CN101585529A记载。磁性碳材料的通常制备方法包括模版法1)化学气相沉积法；2)水热/溶剂热法；3)溶胶凝胶法；4)自组装法等等。常用的金属一般包括铁、钴、镍，尤其以铁最为常见。但上述方法存在制备条件苛刻、粒子不均匀、材料磁性不强、前驱体剧毒等诸多缺点，例如文献(J.Appl.Phys.，2000，88，5452)提到的碳包裹的钴材料要1700℃高温，所得材料中铁的重量百分比不确切，结构信息缺乏。 

发明内容

本发明克服现有技术的上述缺陷，提出了一种新的磁性铁碳复合材料及其制备方法和应用。本发明首次提出将含铁有机骨架化合物(铁MOF材料)引入磁性铁碳复合材料的制备方法中，得到易于磁性分离及导向作用的磁性铁碳复合材料。本发明磁性铁碳复合材料可应用于制备负载贵金属的催化剂，还可应用于液相加氢催化反应，通过磁铁可以快速地从加氢 催化反应液中将负载贵金属的催化剂分离出来，从而既能得到澄清的反应液又能有效回收催化剂。 

本发明提出的一种磁性铁碳复合材料，所述磁性铁碳复合材料包括碳包覆的金属铁纳米粒子、和纳米氧化铁粒子；其中，所含铁的重量百分比为45％-90％，比表面积为100-500m²/g。其中，本发明中“碳包覆的金属铁纳米粒子”及“纳米氧化铁粒子”属于本领域通常理解的技术内容，本发明没有特别限制内容。 

本发明磁性铁碳复合材料，进一步包括由所述碳包覆的金属铁纳米粒子与所述纳米氧化铁粒子组成的复合物。其中，碳包覆的金属铁纳米粒子与纳米氧化铁粒子随机分布混合，得到所述的复合物。 

优选地，所述磁性铁碳复合材料是由铁及其氧化物和碳组成的复合材料，其铁含量达到45％-70％，且分散均匀，比表面积高达200m²/g。 

本发明提出一种磁性铁碳复合材料的制备方法，是在惰性气氛条件下，将含铁有机骨架化合物(铁MOF前驱体)以1℃/min-20℃/min的升温速率加热至温度450℃-800℃，并在450℃-800℃温度条件下保持反应1h-6h，经冷却得到所述磁性铁碳复合材料。优选地，升温速率为5℃-10℃；反应温度为500℃-600℃；反应时间为3小时-4小时。 

本发明制备得到的磁性铁碳复合材料，是一种碳包覆的可磁性分离的铁或其氧化物碳复合材料，其所含有的铁既可以为氧化物形式，也可以为金属单质。其中，铁的重量百分比为45％-90％，优选地，铁的重量百分比为50％-70％。 

本发明制备方法中，所述含铁有机骨架化合物是由廉价、无毒、无机铁阳离子与有机配合物中羧基阴离子发生共价键强相互作用，经过滤得到所述含铁有机骨架化合物。即，将铁盐与有机配体混合溶解在水、二甲基甲酰胺、或二乙基乙酰胺等溶剂中，经过滤得到目的产物。避免了昂贵、高毒性羰基铁或有机铁化合物的使用。