一种石墨烯包覆可变相态纳米磁性复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种石墨烯包覆可变相态纳米磁性复合材料，具有核壳结构，壳体为石墨烯壳，由多层石墨烯片组成，壳层厚度为5‑50nm；核芯为磁性核，是颗粒直径为10‑90nm相态可变的纳米磁性颗粒。本发明专利技术还提出所述石墨烯包覆可变相态纳米磁性复合材料的制备方法。本发明专利技术提出的方法，利用二茂铁粉末作为铁源及碳源，以等离子体作为合成环境，减少反应物带来的毒性及环境污染，利于大量生产。通过调控制备过程中等离子体的含氮比可以控制所获得的磁性纳米颗粒的物相。通过该途径所制备的石墨烯包覆的纳米磁性粉末粒径细小、分布均匀、球形度好，且制备流程简短。

Graphene coated reversible nano magnetic composite material and preparation method thereof

The invention provides a graphene coated in state of nano magnetic composite materials with core-shell structure, graphene, shell shell, composed of multilayer graphene sheets, the shell thickness is 5 50nm; core for magnetic core is the particle diameter of 10 90nm phase variable magnetic nano particles. The invention also provides a preparation method of the graphene encapsulated nano magnetic composite material in disguised form. The method of the invention uses the two ferrocene powder as the iron source and the carbon source, and uses the plasma as the synthetic environment to reduce the toxicity and environmental pollution caused by the reactants, and is beneficial to mass production. The phase of the obtained magnetic nanoparticles can be controlled by the nitrogen ratio of the plasma in the process of controlling the preparation. The graphene encapsulated nano magnetic powder prepared by the method has fine particle size, uniform distribution and good sphericity, and the preparation process is short.

【技术实现步骤摘要】
一种石墨烯包覆可变相态纳米磁性复合材料及其制备方法
本专利技术属于纳米功能粉体材料及粉体制备
，具体涉及一种复合石墨烯的功能材料及其制备方法。
技术介绍
石墨烯(Graphene)是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维碳材料。石墨烯具有强的韧性、电导性及导热性。铁及铁氮化合物具有优良的磁性能，但其化学稳定性较差，尤其是铁相。利用石墨烯作为包覆材料能够很好改善磁性颗粒的化学稳定性及电导性差的问题，使得这种复合材料能够很好地应用在磁流体、靶向药物、电磁波吸收材料、电磁屏蔽材料、氧化还原催化剂、精细陶瓷材料和锂电池等多个领域。目前公开的专利和文献中，报道的多是碳包覆金属纳米颗粒的制备方法，如热解法、电弧法、浸渍法、CVD法等获得碳包覆铁纳米颗粒；对于石墨烯包覆的铁氮化合物纳米颗粒，并没有一种方法可以直接获得。申请公布号为CN101347455A，公布日为2009年1月21日，专利名为一种碳包覆铁纳米粒子及其作为治疗肝癌药物载体的应用，其专利技术了一种碳包覆铁纳米粒子，特别是由直流电弧法制备获得。申请公布号为CN102623696A，公布日为2012年8月1日，专利名称：一种壳核型包覆氮化铁纳米复合粒子制备方法与应用，其专利技术了一种壳核型碳包覆氮化铁纳米复合粒子制备工艺，特别是以直流等离子体原位合成的碳包覆铁纳米颗粒作为前驱体，再经过氮化工艺获得碳包覆氮化铁纳米复合粒子。申请公布号为CN101710512A，公布日为2010年5月19日，专利名为石墨烯与碳包覆铁磁性纳米金属复合材料及其制备方法。其专利技术了一种由石墨烯及碳包覆的铁磁性纳米颗粒，且提供了一种特殊的CVD法制备出该种复合粉体材料。这些方法都具有各自的优点，但是也有较多的不足，如试验设备复杂、制备条件严格、流程繁琐等，造成制备成本较高，从而影响石墨烯/碳包覆铁和铁氮化合物粉体的开发与应用。
技术实现思路
鉴于上述本领域的现状，本专利技术的目的在于，提供一种石墨烯包覆可变相态纳米磁性复合材料。本专利技术的目的还在于提供一种石墨烯包覆可变相态纳米磁性复合材料的制备方法，且该方法可以通过调控制备过程中等离子体的含氮比来调控磁性核的物相类型。实现本专利技术上述目的的技术方案为：一种石墨烯包覆可变相态纳米磁性复合材料，具有核壳结构，壳体为石墨烯壳，由多层石墨烯片组成，壳层厚度为5-50nm；核芯为磁性核，是颗粒直径为10-90nm相态可变的纳米磁性颗粒。其中，所述纳米磁性颗粒的相态为铁相的α-Fe、γ-Fe，和γ-Fe(N)、γ’-Fe4N、ε-Fe3N、α”-Fe16N2相的铁氮化合物中的一种或多种。本专利技术还提出所述的石墨烯包覆可变相态纳米磁性复合材料的制备方法，包括以下步骤：(1)连续并多次对等离子体产生装置的反应腔体进行惰性气体清洗后，以惰性气体充满整个反应腔体，隔绝空气；(2)通过等离子体电源激发得到稳定的惰性气体等离子体流后，通过输入反应气源形成混合等离子体流，再将二茂铁粉末热蒸发，以载流气形式将二茂铁蒸气送入等离子体中心区域；(3)利用等离子体高焓值及化学活化效果，将二茂铁迅速热解并发生化学反应后，在等离子体焰流尾部通过形核长大得到纳米磁性颗粒并且在颗粒表面包覆石墨烯；(4)在惰性气体保护条件下将反应腔降到室温，收集得到的复合粉体，即为石墨烯包覆纳米磁性颗粒复合材料。等离子体法制备石墨烯包覆可变相态纳米磁性颗粒，与其他方法相比，制备颗粒度较小、粒径分布均匀且可通过控制等离子体中的含氮比来获得不同物相的磁性核。本专利技术采用二茂铁(C10H10Fe)为反应原料，通过等离子体促进反应，直接获得石墨烯包覆可变相态纳米磁性颗粒复合粉体。其中，采用二茂铁(C10H10Fe)作为铁源及碳源，二茂铁粉末的蒸发流床温度设置为100～400℃；所述载流气为氩气、氮气、氨气的一种或多种。进一步地，所述的等离子体流是感性耦合等离子体流、容性耦合等离子体流及微波耦合等离子体流中的一种，均由惰性气体和反应气源混合形成，反应气源和惰性气体的摩尔比例为0～5:1；所述的惰性气体为氩气、氦气、氖气中的一种或多种，反应气源为氢气、氮气、氨气中的一种或多种。其中，通过调整反应气源、惰性气体和载流气的流量来控制等离子体的含氮比，从而控制纳米磁性颗粒的相态组成，使得纳米磁性颗粒的相态为α-Fe、γ-Fe、γ-Fe(N)、γ’-Fe4N、ε-Fe3N、α”-Fe16N2中的一种或多种。本专利技术的优选技术方案之一为：所述等离子体的含氮比(氮原子占等离子体总原子量的摩尔比)为0时，所得复合材料中的纳米磁性颗粒的相态为铁相的α-Fe和γ-Fe中的一种或两种。本专利技术的另一优选技术方案为：所述等离子体的含氮比为5～80％时，所得复合材料中的纳米磁性颗粒的相态为γ-Fe(N)、γ’-Fe4N、ε-Fe3N中的一种或多种。本专利技术的优点在于：(1)本专利技术提出的方法，利用二茂铁粉末作为铁源及碳源，以等离子作为合成环境，减少反应物带来的毒性及环境污染，利于大量生产。(2)通过调控制备过程中等离子体的含氮比可以控制所获得的磁性纳米颗粒的物相。(3)通过该途径所制备的碳包覆的纳米磁性粉末粒径细小、分布均匀、球形度好，且制备流程简短。本专利技术方法所制备的石墨烯包覆可相变态纳米磁性复合材料同时具有良好的化学稳定性、磁性能及电性能，因此在靶向药物、磁流体、吸波材料，锂电池材料及催化剂等多个领域具有广泛的应用潜力。附图说明图1为实施例1、实施例2和实施例3制备得到的石墨烯包覆可相变态纳米磁性复合材料的XRD图谱。图2为实施例1制备的石墨烯包覆可变相态纳米颗粒复合材料的粒径分布及TEM图图3为实施例2制备的石墨烯包覆可变相态纳米颗粒复合材料的TEM图。图4为实施例3制备的石墨烯包覆可变相态纳米颗粒复合材料的TEM图。具体实施方式以下实施例进一步说明本专利技术的内容，但不应理解为对本专利技术的限制。本专利技术提出的墨烯包覆可变相态纳米磁性复合材料的制备方法，包括以下步骤：(1)连续并多次对等离子体产生装置的反应腔体进行惰性气体清洗后，以惰性气体充满整个反应腔体，隔绝空气；(2)通过等离子体电源激发得到稳定的惰性气体等离子体流后，通过输入反应气源形成混合等离子体流，再将二茂铁粉末热蒸发，以载流气形式将二茂铁蒸气送入等离子体中心区域；(3)利用等离子体高焓值及化学活化效果，将二茂铁迅速热解并发生化学反应后，在等离子体焰流尾部通过形核长大得到纳米磁性颗粒并且在颗粒表面包覆石墨烯；(4)在惰性气体保护条件下将反应腔降到室温，收集得到的复合粉体，即为石墨烯包覆纳米磁性颗粒复合材料。采用的设备可以为已有的等离子体发生设备，实施例中，具体采用专利CN104851548A所公开的设备。如无特别说明，实施例中采用的手段均为本领域常规的技术手段。实施例中石墨烯包覆可变相态纳米磁性复合材料的制备的具体工艺如下：实施例1：以市售二茂铁粉为原料，多次用氩气清洗反应腔体后，以氩气为等离子形成气建立稳定运行的氩等离子体，其中氩气流量为5slpm，边保护气氩气流量为5slpm。恒温流床温度设置为120℃，通过流量为3slpm的氩气将二茂铁蒸气送入等离子体焰流中，经过等离子体高温分解和活化反应得到石墨烯包覆可变相态纳米磁性颗粒，产物的XR本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种石墨烯包覆可变相态纳米磁性复合材料，其特征在于，具有核壳结构，壳体为石墨烯壳，由多层石墨烯片组成，壳层厚度为5‑50nm；核芯为磁性核，是颗粒直径为10‑90nm相态可变的纳米磁性颗粒。

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯包覆可变相态纳米磁性复合材料，其特征在于，具有核壳结构，壳体为石墨烯壳，由多层石墨烯片组成，壳层厚度为5-50nm；核芯为磁性核，是颗粒直径为10-90nm相态可变的纳米磁性颗粒。2.根据权利要求1所述的石墨烯包覆可变相态纳米磁性复合材料，其特征在于，所述纳米磁性颗粒的相态为铁相的α-Fe、γ-Fe，和γ-Fe(N)、γ’-Fe4N、ε-Fe3N、α”-Fe16N2相的铁氮化合物中的一种或多种。3.权利要求1或2所述的石墨烯包覆可变相态纳米磁性复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)连续并多次对等离子体产生装置的反应腔体进行惰性气体清洗后，以惰性气体充满整个反应腔体，隔绝空气；(2)通过等离子体电源激发得到稳定的惰性气体等离子体流后，通过输入反应气源形成混合等离子体流，再将二茂铁粉末热蒸发，以载流气形式将二茂铁蒸气送入等离子体中心区域；(3)利用等离子体高焓值及化学活化效果，将二茂铁迅速热解并发生化学反应后，在等离子体焰流尾部通过形核长大得到纳米磁性颗粒并且在颗粒表面包覆石墨烯；(4)在惰性气体保护条件下将反应腔降到室温，收集得到的复合粉体，即为石墨烯包覆纳米磁性颗粒复合材料。4.根据权利要求3所述的制...

【专利技术属性】
技术研发人员：王群，冯唐锋，王澈，李永卿，王明连，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：北京,11