一种碳化铁-多孔碳复合材料及其制备方法和应用
阅读说明：本技术 一种碳化铁-多孔碳复合材料及其制备方法和应用 (Iron carbide-porous carbon composite material and preparation method and application thereof ) 是由 包淑娟 朱洪久 李秋林 于 2019-10-31 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种碳化铁-多孔碳复合材料及其制备方法和应用,属于纳米材料技术领域,该复合材料由多孔碳和包覆在多孔碳中的碳化铁纳米颗粒组成,碳化铁纳米颗粒具有核壳结构。在制备该复合材料时,以金属掺杂的高聚物为模板,通过一步碳化得到。该材料中由于具有核壳结构的碳化铁被包覆在多孔碳中,其抗腐蚀性能得到进一步提升,另外,位于外层的多孔碳具有高的比表面积和独特的孔道结构等特点,使最终制备的复合材料集碳化铁特殊的电学性质以及多孔碳良好的传热性能等优点于一体,能够在催化、储能等领域具有广泛的应用前景。该复合材料制备方法简单易操作,且成本低,适合扩大化生产。(The invention relates to an iron carbide-porous carbon composite material and a preparation method and application thereof, belonging to the technical field of nano materials. When the composite material is prepared, the metal-doped high polymer is taken as a template and is obtained through one-step carbonization. In the material, the iron carbide with the core-shell structure is coated in the porous carbon, so that the corrosion resistance of the material is further improved, and in addition, the porous carbon positioned on the outer layer has the characteristics of high specific surface area, unique pore channel structure and the like, so that the finally prepared composite material integrates the advantages of special electrical property of the iron carbide, good heat transfer performance of the porous carbon and the like, and has wide application prospect in the fields of catalysis, energy storage and the like. The preparation method of the composite material is simple and easy to operate, has low cost and is suitable for expanded production.)
技术领域
本发明属于纳米材料技术领域，具体涉及一种碳化铁-多孔碳复合材料及其制备方法和应用。
背景技术
多孔碳材料由于具有高比面积、成本低、易制备、独特的孔道结构以及优良的化学稳定性等特点，被广泛用作锂电池电极材料、超级电容器电极材料和催化剂载体等。目前，用于合成多孔碳材料的方法主要有以下几种：高聚物碳化法、生物质材料碳化法、物理和化学活化法、化学气相沉积法等。
在这几种制备方法中，高聚物碳化法和生物质材料碳化法因其成本低、易制备且生产的碳材料比表面积大而成为最为广泛的制备多孔碳的方法。其中，生物质材料碳化法以生物质材料为原料，但由于生物质材料受到不同地区，不同季节的影响，具有不确定性，导致制备出来的材料可能不同。高聚物碳化法因为碳化时高聚物为特定物种，从而可重复性高，同时可使用的基底多，能以简单的方法低成本地制备各种比表面积不同，孔道结构独特以及电化学性能优良的多孔碳。
纳米碳化铁是一种优异的电催化剂，被广泛地应用于电催化氧还原、析氢、析氧等反应中。由于碳化铁的导电性较低，而多孔碳拥有优异的导电性，因此两者形成复合材料后能使碳化铁的催化性能进一步提升。不仅如此，一些其他的过渡金属掺杂也会使其催化性能大大提升。因此，研发一种碳化铁-多孔碳复合材料将扩大碳化铁的应用范围，同时也能使该复合材料在催化、储能等领域具有广泛的应用前景。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的之一在于提供一种碳化铁-多孔碳复合材料；目的之二在于提供一种碳化铁-多孔碳复合材料的制备方法；目的之三在于提供该碳化铁-多孔碳复合材料在催化和/或储能中的应用。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
1、一种碳化铁-多孔碳复合材料，所述复合材料由多孔碳和包覆在所述多孔碳中的碳化铁纳米颗粒组成，所述碳化铁纳米颗粒具有核壳结构。
优选的，所述碳化铁纳米颗粒的粒径为20-30nm。
优选的，所述多孔碳的BET比表面积为250-350m2/g，孔径大小≤2nm。
2、所述的一种碳化铁-多孔碳复合材料的制备方法，所述方法如下：
在搅拌下将铁盐乙醇溶液逐滴滴入1,8-二氨基萘乙醇溶液中获得反应液，继续搅拌所述反应液16-24h后，离心获得铁掺杂的聚1,8-二氨基萘，将所述铁掺杂的聚1,8-二氨基萘经洗涤、干燥后在保护气氛下先以3-6℃/min的速率升温至350-450℃后保温1-2h，再以0.5-1.5℃/min的速率升温至700-1000℃后保温2-4h，冷却后制得碳化铁-多孔碳复合材料。
优选的，所述反应液中1,8-二氨基萘和铁离子的摩尔比为7-12:1。
优选的，所述铁盐乙醇溶液中的铁盐为六水合三氯化铁、乙酰丙酮铁或九水合硝酸铁中的一种。
优选的，所述搅拌和继续搅拌时的搅拌速度均为600-800r/min。
优选的，所述洗涤时所用的洗涤液为乙醇；所述干燥为在20-30℃下真空干燥12-16h。
优选的，所述保护气氛为氢气。
3、所述的一种碳化铁-多孔碳复合材料在催化和/或储能中的应用。
本发明的有益效果在于：本发明提供了一种碳化铁-多孔碳复合材料及其制备方法和应用，本发明中碳化铁-多孔碳复合材料为多孔碳包覆的具有核壳结构的碳化铁后形成的分级复合材料，该材料中由于具有核壳结构的碳化铁被包覆在多孔碳中，其抗腐蚀性能得到进一步提升，另外，位于外层的多孔碳具有高的比表面积和独特的孔道结构等特点，使最终制备的复合材料集碳化铁特殊的电学性质以及多孔碳良好的传热性能等优点于一体，能够在催化、储能等领域具有广泛的应用前景。该复合材料制备方法简单易操作，且成本低，适合扩大化生产。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为实施例1中制备的铁掺杂的聚1,8-二氨基萘的扫描电镜图；
图2为实施例1中制备的碳化铁-多孔碳复合材料的扫描电镜图；
图3为实施例1中制备的碳化铁-多孔碳复合材料的透射电镜图；
图4为实施例1中制备的碳化铁-多孔碳复合材料的XRD图；
图5为实施例1中制备的碳化铁-多孔碳复合材料的氮气的脱吸附曲线图；
图6为实施例1中制备的碳化铁-多孔碳复合材料的氮气的孔径分布图；
图7为实施例2中制备的碳化铁-多孔碳复合材料的扫描电镜图；
图8为实施例2中制备的碳化铁-多孔碳复合材料的透射电镜图；
图9为实施例3中制备的碳化铁-多孔碳复合材料的扫描电镜图；
图10为实施例3中制备的碳化铁-多孔碳复合材料的透射电镜图；
图11为实施例1中制备的碳化铁-多孔碳复合材料的电催化氧还原性能测试结果图；
图12为实施例2中制备的碳化铁-多孔碳复合材料的电催化氧还原性能测试结果图；
图13为实施例3中制备的碳化铁-多孔碳复合材料的电催化氧还原性能测试结果图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
实施例1
制备碳化铁-多孔碳复合材料
在以700r/min的速度搅拌下将六水合三氯化铁乙醇溶液逐滴滴入1,8-二氨基萘乙醇溶液中获得反应液，该反应液中1,8-二氨基萘和铁离子的摩尔比为10:1，继续以700r/min的速度搅拌该反应液24h后，离心获得铁掺杂的聚1,8-二氨基萘，将该铁掺杂的聚1,8-二氨基萘经乙醇洗涤后在30℃下真空干燥12h，然后在氢气下先以5℃/min的速率升温至400℃后保温1h，再以1℃/min的速率升温至900℃后保温2h，自然冷却至室温后制得碳化铁-多孔碳复合材料。
图1为实施例1中制备的铁掺杂的聚1,8-二氨基萘的扫描电镜图，由该图可知，铁掺杂的聚1,8-二氨基萘呈规则球状，粒径为100-150nm。
图2为实施例1中制备的碳化铁-多孔碳复合材料的扫描电镜图，由该图可知，碳化铁-多孔碳复合材料呈规则球状，粒径为100-150nm，表明了在煅烧的过程，其结构没有坍塌。
图3为实施例1中制备的碳化铁-多孔碳复合材料的透射电镜图，由该图可知，该复合材料由多孔碳和包覆在多孔碳中的碳化铁纳米颗粒组成，其中，碳化铁纳米颗粒具有核壳结构，粒径为20-30nm。
图4为实施例1中制备的碳化铁-多孔碳复合材料的XRD图，由该图可知，表明该复合材料由碳化铁和碳构成，其中26°的峰为石墨化碳的峰，表明材料中含有大量的碳。
图5为实施例1中制备的碳化铁-多孔碳复合材料的氮气的脱吸附曲线图，图6为实施例1中制备的碳化铁-多孔碳复合材料的氮气的孔径分布图，由图5和图6可知，该复合材料的BET比表面积为250-350m2/g，在0<P/P0<0.1时，随着相对压力增加，氮的吸附量快速增加，说明该复合材料含有微孔，其微孔孔径大小≤2nm，同时脱附分支没有出现回滞环，说明该复合材料为典型的微孔材料。
实施例2
制备碳化铁-多孔碳复合材料
在以600r/min的速度搅拌下将九水合硝酸铁乙醇溶液逐滴滴入1,8-二氨基萘乙醇溶液中获得反应液，该反应液中1,8-二氨基萘和铁离子的摩尔比为7:1，继续以600r/min的速度搅拌该反应液20h后，离心获得铁掺杂的聚1,8-二氨基萘，将该铁掺杂的聚1,8-二氨基萘经乙醇洗涤后在20℃下真空干燥16h，然后在氢气下先以6℃/min的速率升温至450℃后保温1.5h，再以1.5℃/min的速率升温至1000℃后保温3h，自然冷却至室温后制得碳化铁-多孔碳复合材料。
图7为实施例2中制备的碳化铁-多孔碳复合材料的扫描电镜图，由该图可知，碳化铁-多孔碳复合材料呈规则球状，粒径为100-150nm。
图8为实施例2中制备的碳化铁-多孔碳复合材料的透射电镜图，由该图可知，该复合材料由多孔碳和包覆在多孔碳中的碳化铁纳米颗粒组成，其中，碳化铁纳米颗粒具有核壳结构，粒径为20-30nm。
实施例3
制备碳化铁-多孔碳复合材料
在以800r/min的速度搅拌下将乙酰丙酮铁乙醇溶液逐滴滴入1,8-二氨基萘乙醇溶液中获得反应液，该反应液中1,8-二氨基萘和铁离子的摩尔比为12:1，继续以800r/min的速度搅拌该反应液16h后，离心获得铁掺杂的聚1,8-二氨基萘，将该铁掺杂的聚1,8-二氨基萘经乙醇洗涤后在25℃下真空干燥14h，然后在氢气下先以3℃/min的速率升温至350℃后保温2h，再以0.5℃/min的速率升温至700℃后保温4h，自然冷却至室温后制得碳化铁-多孔碳复合材料。
图9为实施例3中制备的碳化铁-多孔碳复合材料的扫描电镜图，由该图可知，碳化铁-多孔碳复合材料呈规则球状，粒径为100-150nm。
图10为实施例3中制备的碳化铁-多孔碳复合材料的透射电镜图，由该图可知，该复合材料由多孔碳和包覆在多孔碳中的碳化铁纳米颗粒组成，其中，碳化铁纳米颗粒具有核壳结构，粒径为20-30nm。
实施例4
本发明中碳化铁-多孔碳复合材料在电催化氧还原中的应用
1)取实施例1至实施例3中制备的碳化铁-多孔碳复合材料各2mg，分别分散到1mL水和乙醇按体积比1:1混合而成的混合液中，并且分别加入20μL 5％的Nafion溶液，随后连续超声10分钟，得到三种分散液；
2)分别用粒径0.3μm和0.05μm的铝粉打磨旋转还盘电极至平整、光滑，并用去离子水冲洗干净，晾干备用；
3)取步骤(1)所得的三种分散液各5μL分别滴旋转还盘电极中心，自然干燥，制得三种氧还原测试电极，并对三种氧还原测试电极的氧还原性能进行测试，结果如图11、图12和图13，其中，图11为实施例1中制备的碳化铁-多孔碳复合材料的电催化氧还原性能测试结果图，图12为实施例2中制备的碳化铁-多孔碳复合材料的电催化氧还原性能测试结果图，图13为实施例3中制备的碳化铁-多孔碳复合材料的电催化氧还原性能测试结果图，由图11至图13可知，实施例1、2和3中制备的碳化铁-多孔碳复合材料的半坡电位均在0.8V vsRHE左右，表现出了良好的氧还原性能，说明本发明中的碳化铁-多孔碳复合材料在电催化方面存在很大的潜力。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。