[发明专利]一种合成纳米金属颗粒负载碳纳米纤维的新方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米材料技术领域，是涉及一种合成纳米金属颗粒负载碳纳米纤维的新方法。

背景技术

碳纳米纤维（CNF）作为一维纳米结构材料具有与碳纳米管具有相似的表面化学特性、高的机械强度、良好的导电性和大的比表面积，它不仅具有通常纳米材料所具有的表面效应、量子尺寸效应和小尺寸效应等，还具有优异的热稳定性、力学性能、电子和光子传输性、光学性质和光导电性能等，使其可以作为材料的基本构筑单元，在纳米电学及光学器件、传感器、纳米生物技术等方面显示出重要的应用价值。构筑一维纳米材料的方法主要有模板法（template-assisted)、气-液-固反应法（vapaor-liquid-solid)、气-固生长法（apaor- -solid）、水热法（hydrothermal synthesis）、静电纺丝法（elctrospinnning)等。在这些方法中，静电纺丝法  以其制造装置简单、纺丝成本低廉、可纺物质种类繁多、工艺可控等优点，已成为有效制备纳米纤维材料的主要途径之一。静电纺丝技术已经被成功应用于制备聚合物、陶瓷、金属及无机/有机复合纤维。

铁是活泼金属，具有还原性。纳米金属铁由于其在高磁性记录密度材料、磁性材料、催化剂材料、电导体及电磁波吸收材料和生物医学载体材料等领域日益广泛的应用，近年来对纳米金属铁的研究越来越受到研究者的重视。碳包覆磁性纳米粒子，像Fe、Co、Ni,由于有碳的保护，使其在磁性数据存储、静电复印、磁性油墨、磁流体及生物工程（给药、磁共振等）方面有应用。 

本文采用静电纺丝法制备了Fe纳米颗粒负载的碳纳米纤维（Fe/CNF）复合材料。现有技术公开的文献中关于制备FeC复合材料的方法有：化学气相沉积法、电弧放电法、高温催化分解法等。Jiao J等利用电弧放电方法制备了FeC 芯壳结构复合物，但是该方法产量低、温度高。Song H H利用化学气相沉积法也制备了FeC复合物，但是该方法需要独立的碳源、催化剂、催化剂难与产品分离。这些方法合成的FeC复合物中，铁纳米颗粒都包覆在碳材料里面而没得到充分利用。

发明内容

本发明的目的就是为了克服现有制备技术存在的缺陷，而提供一种新的静电纺丝方法来制备纳米金属颗粒负载碳纳米纤维。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

本发明涉及一种合成纳米金属颗粒负载碳纳米纤维的新方法，其特征在于,该方法以二茂铁和高分子聚合物作为反应前驱物，将反应前驱物、无水乙醇和二甲基甲酰胺（DMF）三者混合形成均匀溶液,采用静电纺丝装置制得前期复合纳米纤维，经干燥，纳米纤维转入管式炉中，在无氧的条件下加热到500-700℃，并在该温度下保温一段时间即可制得纳米金属颗粒负载的碳纳米纤维。

上述利用简单的原料、简单装置以及简单步骤的反应体系，该方法具体包括以下步骤：

（1）将二茂铁与高分子聚合物溶解于一定比例的无水乙醇和二甲基甲酰胺的混合溶剂中配制成一定浓度的溶液，该溶液需要磁力搅拌数小时以形成均匀的溶液，其中二茂铁与高分子聚合物的质量比为9:25--5:6，无水乙醇与二甲基甲酰胺的体积比为1：1--0:1，高分子聚合物与混合溶剂的质量比为2:17--2:31。

（2）将步骤（1）得到的混合溶液移入注射器中，以一定的电压、纺丝速率以及接收距离来进行静电纺丝，设定注射泵、高压发生器控制程序使整个纺丝过程持续若干小时。纺丝结束后，所得纤维在55--65℃条件下干燥，该产物为前期复合纳米纤维。

（3）将步骤（2）得到的产物移入管式炉中，在氩气氛围内以一定的的升温速率加热到500-700℃，并在该温度下保持一段时间。反应停止后，自然冷却，得到最终产物为黑色纳米金属颗粒负载碳纳米纤维。

优选，所述的含高分子聚合物为聚乙烯吡咯烷酮或聚丙烯腈。

优选，步骤（2）中所述的一定的纺丝条件为10-13Kv 的电压、0.5-1ml/h的流速以及10-20cm的接收距离。

优选，步骤（3）中所述的升温速率和保温时间分别为1-2℃/min和1-2h。

本发明机理：该发明中使用的前躯体中存在有机金属化合物二茂铁，该物质不但可以作为碳纳米纤维制备的催化剂，同时其本身还可以作为碳源，即：采用静电纺丝技术，二茂铁被均匀的分散在高分子聚合物的纳米纤维中，提高了对高分子聚合物催化效果，再结合后续的无氧条件下的高温加热，高分子聚合物被碳化，同时二茂铁被分解，其中的茂环作为碳源也形成碳纳米纤维，而铁元素在碳纤维表面聚集形成纳米铁颗粒。