一种四氧化三铁包覆碳纳米管的磁性复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种四氧化三铁包覆碳纳米管的磁性复合材料，其制备方法包括以下步骤：(1)将酸化后的CNTs加入去离子水中进行超声分散，制成CNTs分散液；(2)将可溶性亚铁盐/铁盐溶解于去离子水中，制成亚铁盐/铁盐溶液；(3)将CNTs分散液与亚铁盐/铁盐溶液混合，混匀后加入水合肼和表面活性剂，混匀后，置于100‑180℃下反应8‑16h；(4)反应结束冷却至室温后抽滤并洗涤反应产物至中性，最后干燥制得。本发明专利技术工艺过程简单，制备条件温和，反应温度较低，成本低廉，以水作为溶剂，不添加重金属盐类，对环境友好，制得的四氧化三铁纳米粒子包覆碳纳米管的磁性复合材料具有较高的饱和磁化强度，性能较佳。

A magnetic composite of carbon nanotubes coated with iron oxide and its preparation method

The present invention provides a magnetic composite coating of carbon nanotube with a ferroferric oxide, its preparation method includes the following steps: (1) the acidified CNTs deionized water by ultrasonic dispersion, CNTs dispersion is made; (2) the soluble ferrous salt / salt dissolved in water to ion, made of ferrous salt / ferric salt solution; (3) dispersing CNTs mixture with ferrous salt / ferric salt solution, mixing after adding hydrazine hydrate and surface active agent, after mixing, 8 16h reaction in the 100 180 DEG C; (4) the end of the reaction after cooling to room temperature, then filtered and washed to neutral reaction product, finally drying. The present invention has simple technological process, mild preparation conditions, low reaction temperature, low cost, using water as solvent, adding heavy metal salts, environmentally friendly, magnetic composite material of carbon nanotubes coated Fe3O4 nanoparticles prepared with high saturation magnetization, better performance.

【技术实现步骤摘要】
一种四氧化三铁包覆碳纳米管的磁性复合材料及其制备方法
本专利技术属于纳米复合材料
，具体涉及一种四氧化三铁包覆碳纳米管的磁性复合材料及其制备方法。
技术介绍
自碳纳米管(CNTs)发现以来，其独特的结构和物理化学性质，如优异的力学、热学、电学及高比表面积等性能受到人们的广泛关注。CNTs拥有的高表面积，低电阻率，以及良好的化学稳定性，使得碳纳米管在催化剂，超级电容器，锂离子电池材料以及生物领域的等应用方面都存在着巨大的潜能。近年来，对碳纳米管的修饰逐渐成为热点，因为修饰之后的碳纳米管，既可克服本身的一些缺陷如不易分散又可赋予其新的性能，如磁学、电学、光学等性能。磁性材料因其具有独特的物理化学性能，在物理、化学、生物、医药等领域表现出巨大的应用潜力，故常将磁性颗粒与碳纳米管复合得到磁性碳纳米管。磁性四氧化三铁(Fe3O4)合成简便、热稳定性较好、磁性能优异，相容性好，被广泛用来包覆在碳纳米管表面。用磁性Fe3O4颗粒包覆之后的碳纳米管，可以表现出更出色的磁性、电磁吸波等特性，其在电化学领域、催化领域、吸波领域和材料增强体领域有广泛的应用前景。目前，四氧化三铁包覆的磁性碳纳米管通常是通过共沉淀法或溶剂热法等制备得到。如：将CoCl2·6H2O、FeCl3·6H2O、CrCl3·6H2O、ZnCl2和表面改性碳纳米管溶解在去离子水中，得到前驱体溶液，以NaOH水溶液作为沉淀剂，通过共沉淀法得到磁性碳纳米管。这种方法加入过多重金属盐类，成本高，对环境有污染，且四氧化三铁颗粒尺寸和尺寸分布范围的控制受到极大的限制。以有机溶剂为介质，通过溶剂热法得到四氧化三铁负载的磁性碳纳米管。但这种方法步骤繁琐，温度高、时间长，且使用有机溶剂，得到的产物不纯，安全性较低。
技术实现思路
针对现有技术中存在的上述问题，本专利技术提供一种四氧化三铁包覆碳纳米管的磁性复合材料及其制备方法，可有效解决现有的制备工艺繁琐，反应条件苛刻，成本高，对环境造成污染的问题。为实现上述目的，本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种四氧化三铁包覆碳纳米管的磁性复合材料，其制备方法包括以下步骤：(1)将酸化后的CNTs加入去离子水中进行超声分散，制成CNTs分散液；CNTs经酸化处理后，其纯度更高，且更加利于后续纳米四氧化三铁的附着；(2)将可溶性亚铁盐/铁盐溶解于去离子水中，制成亚铁盐/铁盐溶液；(3)将CNTs分散液与亚铁盐/铁盐溶液混合，搅拌混匀后加入水合肼和表面活性剂，搅拌混匀后，置于100-180℃下反应8-16h；所加入的水合肼会与铁盐/亚铁盐进行氧化还原反应，生成四氧化三铁纳米粒子，表面活性剂作为模板剂可以控制生成的四氧化三铁纳米粒子的形貌；(4)反应结束冷却至室温后抽滤并洗涤反应产物至中性，最后干燥得四氧化三铁包覆碳纳米管的磁性复合材料。进一步地，步骤(1)中酸化后的CNTs通过以下方法制备得到：1)将浓硫酸和浓硝酸按体积比为3:1混合，制成混酸；2)将CNTs加入混酸中配置成浓度为6-9g/L的溶液，超声处理1-4h后再于120℃加热回流1-3h；3)将步骤2)所得产物抽滤并洗涤至滤液pH为7，真空干燥12-14h制得。进一步地，步骤(1)中CNTs分散液浓度为3-8g/L。进一步地，CNTs为多壁碳纳米管，直径为10-100nm,长度为10-50μm。进一步地，步骤(2)中可溶性亚铁盐为硫酸亚铁铵、氯化亚铁或硫酸亚铁；可溶性铁盐为氯化铁、硫酸铁或硝酸铁。进一步地，步骤(2)中亚铁盐/铁盐溶液的浓度为0.2-0.8mol/L。进一步地，步骤(3)中CNTs分散液与亚铁盐/铁盐溶液的体积比为1-1.5:1。进一步地，步骤(3)中水合肼与亚铁盐/铁盐溶液的体积比为3-4:10。进一步地，表面活性剂为柠檬酸钠、乙酸钠、十六烷基三甲基溴化铵和聚乙二醇2000中的至少一种，其添加量与所加亚铁盐/铁盐的摩尔比为0.01-0.8:1。本专利技术提供的一种四氧化三铁包覆碳纳米管的磁性复合材料及其制备方法，具有以下有益效果：(1)本专利技术的制备工艺简单，制备条件温和，反应温度较低，成本低廉，以水作为溶剂，不添加重金属盐类，对环境友好。(2)本专利技术制得的四氧化三铁为纳米粒子，且均匀分布在CNTs的表面。(3)本专利技术制得的四氧化三铁纳米粒子包覆碳纳米管的磁性复合材料具有较低的矫顽力和较高的饱和磁化强度，性能较佳。附图说明图1为本专利技术实施例1制备的CNTs/Fe3O4磁性复合材料的扫描电镜图。图2为本专利技术实施例2制备的CNTs/Fe3O4磁性复合材料的扫描电镜图。图3为本专利技术实施例1制备的CNTs/Fe3O4磁性复合材料的X射线衍射图。图4为本专利技术实施例1制备的CNTs/Fe3O4磁性复合材料的红外光谱图。图5为本专利技术实施例1制备的CNTs/Fe3O4磁性复合材料的磁滞回线图。具体实施方式实施例1一种四氧化三铁包覆碳纳米管的磁性复合材料，其制备方法包括以下步骤：(1)将0.1g酸化后的CNTs加入到20ml去离子水中超声分散30min，得到浓度为5g/L的CNTs分散液；其中，酸化后的CNTs通过以下方法制备得到：1)按3:1的体积比量取60ml浓硫酸和20ml浓硝酸配制混酸；2)将0.6gCNTs和配制好的混酸混合，超声处理4h后置于120℃加热回流3h；3)将产物抽滤并洗涤至滤液pH为7，然后置于60℃真空干燥12h即得酸化CNTs。(2)将0.005mol(NH4)2Fe(SO4)2·6H2O充分溶解于15ml去离子水中，得到浓度为0.33mol/L的亚铁盐溶液；(3)将CNTs分散液与(NH4)2Fe(SO4)2溶液混合，充分搅拌后加入5mlN2H4·H2O，搅拌均匀后再加入0.003mol乙酸钠和0.000068mol十六烷基三甲基溴化铵作为表面活性剂，混合均匀后转入反应釜中，在120℃下反应10h；(4)反应结束冷却至室温后抽滤并洗涤反应产物至中性，最后置于60℃干燥得四氧化三铁包覆碳纳米管的磁性复合材料即CNTs/Fe3O4磁性复合材料。图1为CNTs/Fe3O4磁性复合材料的扫描电镜图，由图可知，纳米Fe3O4为块状多面体颗粒且均匀附着在CNTs上。图3为CNTs/Fe3O4磁性复合材料的X射线衍射图，由图可看出，样品的衍射峰与Fe3O4的PDF卡片JCPDs19-0629一致，表明了所得产物中的Fe3O4均为反尖晶石型，物相单一，无其他杂质存在，结晶度较高。图4为CNTs/Fe3O4磁性复合材料的红外光谱图，图中1634cm-1处对应石墨的碳骨架峰，在590cm-1处出现Fe3O4的Fe-O伸缩振动特征峰。图5为CNTs/Fe3O4磁性复合材料的磁滞回线图，由图可知，CNTs/Fe3O4磁性复合材料的饱和磁化强度达到了65emu/g，饱和磁化强度较高。实施例2本实施例的方法与实施例1的方法基本相同，不同之处在于：所加表面活性剂为0.001mol柠檬酸钠和0.000068mol十六烷基三甲基溴化铵。图2为CNTs/Fe3O4磁性复合材料的扫描电镜图，由图可知，纳米Fe3O4为球状颗粒且均匀附着在CNTs上。实施例3本实施例的方法与实施例1的方法基本相同，不同之处在于：(NH4)2Fe(SO4)2溶液的浓度为0.5mol/L。实施例4本本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种四氧化三铁包覆碳纳米管的磁性复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将酸化后的CNTs加入去离子水中进行超声分散，制成CNTs分散液；(2)将可溶性亚铁盐/铁盐溶解于去离子水中，制成亚铁盐/铁盐溶液；(3)将所述CNTs分散液与所述亚铁盐/铁盐溶液混合，搅拌混匀后加入水合肼和表面活性剂，再次搅拌混匀后，置于100‑180℃下反应8‑16h；(4)反应结束冷却至室温后抽滤并洗涤反应产物至中性，最后干燥得四氧化三铁包覆碳纳米管的磁性复合材料。

【技术特征摘要】
1.一种四氧化三铁包覆碳纳米管的磁性复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将酸化后的CNTs加入去离子水中进行超声分散，制成CNTs分散液；(2)将可溶性亚铁盐/铁盐溶解于去离子水中，制成亚铁盐/铁盐溶液；(3)将所述CNTs分散液与所述亚铁盐/铁盐溶液混合，搅拌混匀后加入水合肼和表面活性剂，再次搅拌混匀后，置于100-180℃下反应8-16h；(4)反应结束冷却至室温后抽滤并洗涤反应产物至中性，最后干燥得四氧化三铁包覆碳纳米管的磁性复合材料。2.根据权利要求1所述的四氧化三铁包覆碳纳米管的磁性复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中酸化后的CNTs通过以下方法制备得到：1)将浓硫酸和浓硝酸按体积比为3:1混合，制成混酸；2)将CNTs加入混酸中配置成浓度为6-9g/L的溶液，超声处理1-4h后再于120℃加热回流1-3h；3)将步骤2)所得产物抽滤并洗涤至滤液pH为7，真空干燥12-14h制得。3.根据权利要求1所述的四氧化三铁包覆碳纳米管的磁性复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中CNTs分散液浓度为3-8g/L。4.根据权利要求1-3任一项所述的四氧化三铁包覆碳纳米管的磁性复合材料的...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢晓英，李冕，吴涛，卢怡，魏立恒，翁杰，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：四川,51