[发明专利]一种在有序介孔碳基体中负载铁状态可控的纳米复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种纳米复合材料制备方法，特别是一种在有序介孔碳基体中负载铁状态可控的纳米复合材料的制备方法，属于材料制备领域。

背景技术

纳米零价铁及其氧化物由于具有粒径小、比表面积大、表面活性高以及廉价易得等特点使其在催化、能源、环境修复和污染治理中具有广阔的应用前景。随着纳米技术的发展，纳米材料粒径减小，表面原子占总原子的百分数急剧增加，表面活性高，反应速率快的特点为纳米零价铁及其氧化物带来了新的发展，成为国内外研究的热点。尽管纳米零价铁及其氧化物在众多领域已经取得了显著进展，但由于其自身特点导致其在实际处理中存在着应用瓶颈，主要表现为易团聚、易氧化、易流失三个方面。这使得纳米零价铁及其氧化物团聚后粒径增大，比表面积降低，反应活性降低。针对纳米零价铁及其氧化物的缺点，研究者提出利用有序介孔碳为载体，将其与铁及其氧化物纳米晶相结合制备出性能突出的复合材料。有序介孔碳具有孔径分布窄，孔道结构规则，比表面积及孔容大等特点，将纳米零价铁及其氧化物负载于有序介孔碳不仅可以利用有序介孔碳孔道的限域效应有效地控制纳米晶的团聚、氧化和流失现象，而且制备出的复合材料同时具备有序介孔碳孔道规则，孔径分布单一等优点与纳米晶的特殊性能。近年来纳米零价铁及其氧化物/有序介孔碳复合材料的制备及其结构与性能的研究，倍受国内外研究机构的关注。目前，用于制备纳米零价铁及其氧化物/有序介孔碳复合材料的方法主要有以下四种：(1)液相后浸渍法：是将空白有序介孔碳材料浸渍于金属盐溶液中，再经后续处理得到负载金属或金属氧化物的有序介孔碳复合材料。但该方法所得的有序介孔碳复合材料金属负载量较低，金属颗粒生长不易控制；(2)纳米共浇铸法：它是将碳源与金属盐前驱体一同注入预先合成的有序介孔硅硬模板的纳米孔道内，随后在惰性气氛中碳化，最后脱去硅模板。该方法虽然能利用有序介孔硅孔道的限域效应控制金属颗粒的生长，但是步骤较为繁琐；(3)多组分共组装法：这是利用金属前驱体与碳源一同参与结构导向剂间的自组装，后经热聚合和高温碳化过程得到含有金属或金属氧化物的有序介孔碳复合材料。该法虽然较为简便且能得到较高负载量的复合材料，但是所得的金属或金属氧化物被包裹得过于严实，导致其活性降低；(4)研磨法：将金属盐前驱体和有序介孔碳混合，通过手动或者球磨机研磨，随后在惰性气氛中经过热处理获得介孔碳基复合材料。该方法与前三种方法相比具有操作简便，适合工业化生产等优点。

目前，人们已经通过不同方法制备了载铁有序介孔碳：Zhao等[Z. Wu,W. Li,P.A. Webley, D. Zhao, Adv Mater,24(2012)485-491]以有序介孔碳为基体，利用后浸渍法将铁盐灌入有序介孔碳孔道内，随后再进行热处理得到负载Fe₂O₃有序介孔碳复合材料，该材料铁负载量较高，但是负载过程相对繁琐且铁状态单一。Li等[J. Li, J. Gu, H. Li, Y. Liang, Y. Hao, X. Sun and L. Wang, Microporous Mesoporous Mater. 128(2010)144–149]通过一步法合成载铁有序介孔碳复合材料，所得材料中铁为Fe/Fe₂O₃共存的状态，但由于被碳基体包裹过于严实，导致其活性降低，同时并未实现对铁状态的调控；Yuan等[X. Yuan, W. Xing, S.P. Zhou, Z.H. Han, G.Q. Wang, X.L. Gao, Microporous Mesoporous Mater. 117(2009)678-684]利用纳米共浇铸法制备出载零价铁有序介孔碳复合材料，用于药物传递，该方法步骤繁琐，并且也未对铁状态的调控进行研究。尽管载铁介孔碳复合材料的研究已经取得一定的进展，但是现有方法一般需利用较为复杂的手段将铁物种引入有序介孔碳基体中或添加额外还原剂制备纳米零价铁，并且不能实现铁状态的调控，而在催化、能源、环境修复和污染治理中对铁的存在状态有着不同的需求

发明内容

本发明的目的是提供一种在有序介孔碳基体中负载铁状态可控的纳米复合材料的制备方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的，一种在有序介孔碳基体中负载铁状态可控的纳米复合材料的制备方法，通过以下步骤完成：

(1) 通过软模板法合成空白有序介孔碳；