[发明专利]一种原位负载铁铜双金属的碳纳米纤维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的制备方法，特别是一种原位负载铁铜双金属的碳纳米纤维复合材料的制备方法，属于材料制备领域。

背景技术

铁铜双金属纳米粒子具有粒径小、比表面积大、表面活性高以及廉价易得等特点，在催化、能源、环境修复和污染治理中具有广阔的应用前景。但是铁铜双金属纳米粒子存在易团聚、易氧化、易流失等问题，团聚后粒径增大，比表面积降低，反应活性降低在实际处理中存在着应用瓶颈。针对铁铜双金属纳米粒子的缺点，通常利用多孔材料为载体，与铁铜双金属纳米粒子相结合制备出性能突出的复合材料。目前，用于制备负载型的铁铜双金属纳米粒子复合材料的方法主要包括纳米共浇铸法，液相浸渍还原法和多组分共组装法。多组分共组装法与前两种方法相比具有操作简便，负载的金属纳米粒子稳定，能耗低，适合工业化生产等优点。

目前，负载型铁铜双金属纳米粒子的复合材料主要基于二维结构的载体。Xia等[M.Xia,et al,W.M.Cai and B.X.Zhou,Appl.Catal.B:Environ.110(2011)118-125]通过溶胶凝胶共沉淀的方法制备了负载铁铜双金属氧化物的Al-MCM-41复合材料，铁铜双金属氧化粒子可以较好的分散在介孔硅材料的基体上，并对苯酚的降解展现出良好的催化性能。Wang等[Y.B.Wang,et al,Appl.Catal.B:Environ.164(2015)396-406]通过一步法多组分共组装的方法制备了负载铁铜双金属的有序介孔碳复合材料，铁铜双金属纳米粒子可以较好的嵌入介孔碳的骨架，并对多种有机污染物的降解展现出良好的催化性能。

近年来，一维纳米结构的材料由于其独特的结构优势，在光、电、传感器及催化方面受到研究者的广泛关注[A.Yousef,et al,Int.J.Hydrogen Energy 37(2012)17715-17723]。众所周知，催化反应速率与电子转移速率息息相关。碳纳米纤维，作为一维纳米纤维结构，由于它高的纵横比、利于电子传递等特性，在催化反应中表现出极大的潜力[X.Q.Zhang,et al.Mater.Chem.A1(2013)9449-9455]。

发明内容

本发明的目的是提供一种原位负载铁铜双金属的碳纳米纤维复合材料的制备方法，通过将乙酰丙酮铁，乙酸铜及聚丙烯腈混合后进行静电纺丝，得到含有铁铜盐的聚丙烯腈纤维，再将含有铁铜盐的聚丙烯腈纤维碳化，得到原位负载铁铜双金属的碳纳米纤维复合材料，制得的复合材料具有优异的催化活性。

实现本发明目的的技术方案如下：

一种原位负载铁铜双金属的碳纳米纤维复合材料的制备方法，具体步骤如下：

步骤1，将乙酰丙酮铁，乙酸铜及聚丙烯腈(PAN)加入到N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中，加热搅拌至混合均匀，得到静电纺丝溶液；

步骤2，设置纺丝电压为16-18kV，接收距离为14-16cm，将步骤1得到的静电纺丝溶液进行静电纺丝，得到含有铁铜盐的聚丙烯腈纤维；

步骤3，将含有铁铜盐的聚丙烯腈纤维置于马弗炉中，以0.5-1℃/min的升温速率升至220-240℃进行活化2-3h，然后在惰性气氛中，以3-5℃/min的升温速率升至850-950℃下碳化2-3h，得到原位负载铁铜双金属的碳纳米纤维复合材料。

步骤1中，所述的乙酰丙酮铁与乙酸铜的摩尔比为1-3:3-1；乙酰丙酮铁与PAN的摩尔比为1-3:0.0067；乙酰丙酮铁与DMF的摩尔比为1-3:260；搅拌时间为2-4h。

步骤2中，静电纺丝的推动速度为1.4-1.5mL/h。

步骤3中，所述的惰性气氛为氮气或氩气。

本发明与现有技术相比，其显著优点是：(1)通过一步法同时引入碳源和金属盐，具有操作简单，成本低，设备要求简便等优点；(2)以铁盐及铜盐前驱物为原料，利用碳化过程还原金属盐，同时实现了材料的碳化及纳米粒子的原位形成，简单易得，无污染；(3)在碳纳米纤维基体中原位负载铁铜双金属的纳米复合材料比表面积大，制得的纳米粒子粒径较小且均匀的分布于载体上；(4)该方法制得的碳纳米纤维基体中原位负载铁铜双金属的纳米复合材料在催化、能源、分离以及环境污染的修复等领域有广阔的应用前景。

附图说明

图1为对比例1制得的Fe/CNF(A)、实施例1制得的FeCu/CNF-1(B)和对比例2制得的Cu/CNF(C)纳米复合材料的扫描电子显微镜图。