石墨烯与碳包覆铁磁性纳米金属复合材料及其制备方法

摘要

本发明提供的是一种石墨烯与碳包覆铁磁性纳米金属复合材料及其制备方法。由石墨烯材料以及均匀负载在石墨烯材料表面的碳包覆铁磁性纳米金属颗粒组成，所述石墨烯材料由单层石墨组成且厚度小于50nm，所述碳包覆铁磁性纳米金属颗粒直径为2～100nm，所述铁磁性金属为铁、钴、镍中的任意一种或两种以上的任意比例混合，金属与碳的重量比为1～20∶1。本发明以石墨烯材料为载体，将磁性纳米金属前驱体均匀负载在其表面，然后通过化学气相沉积法制备了均匀分散在石墨烯表面的碳包覆铁磁性纳米金属粒子，使其同时具有优良的磁性能和良好的导电性，可望在磁分离催化剂、污水处理、电磁屏蔽以及吸波等领域具有广泛的应用前景。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种复合材料，本发明也涉及一种符合材料的制备方法。具体涉及一种石墨烯/碳包覆铁磁性纳米金属复合材料及其制备方法

背景技术

碳包覆铁磁性金属纳米粒子是指以铁、钴、镍等磁性金属纳米粒子为核心，外面包覆同心层状石墨结构而形成的一种具有纳米胶囊结构的复合材料。由于在金属纳米粒子外面包覆了碳层，因此在空气中长期稳定，热稳定性好，解决了纳米金属在空气中容易氧化而不稳定的问题。在磁密封流体，磁性墨水以及磁分离催化剂、电磁屏蔽以及吸波等领域具有广泛的应用。

碳包覆铁磁性纳米金属的制备方法，一般有电弧放电法，化学气相沉积法，热解法、液相浸渍碳化法和爆炸法等。目前，化学气相沉积法以其设备简单、操作方便、成本低而被广泛用于碳包覆金属纳米材料的制备。该法是在反应室中，将待包覆的纳米金属或其化合物颗粒均匀分散于基板上，在一定的温度下通入碳源，后者在金属颗粒的催化作用下发生热解反应并沉积成碳形成包覆结构。例如雷中兴等以溶胶一凝胶超临界干燥技术合成的含Fe、Co双金属的SiO₂纳米气凝胶为催化剂，采用CVD法高温气相催化裂解甲烷合成了碳包覆铁钴的C-(Fe-Co)/SiO₂纳米复合材料[雷中兴，刘静，李轩科等.CVD法制备的碳包覆(Fe，Co)纳米粒子的结构及电磁特性.磁性材料及器件：，2003，34(4)：4-6.]。

石墨烯(graphene)是近些年新发现的由单层碳原子紧密堆积成二维蜂窝状晶格结构的一种碳质新材料，石墨烯具有优异的电学、热学和力学性能和高的比表面积，可望在高性能电子器件、复合材料、场发射材料、环保、催化剂载体以及电子屏蔽等领域获得广泛应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有优良的磁性能和良好的导电性，能在磁分离催化剂、污水处理、电磁屏蔽以及吸波等领域应用的石墨烯与碳包覆铁磁性纳米金属复合材料。本发明的目的还在于提供一种石墨烯与碳包覆铁磁性纳米金属复合材料的制备方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明的石墨烯与碳包覆铁磁性纳米金属复合材料由石墨烯材料以及均匀负载在石墨烯材料表面的碳包覆铁磁性纳米金属颗粒组成，所述石墨烯材料由单层石墨组成且厚度小于50nm，所述碳包覆铁磁性纳米金属颗粒直径为2～100nm，所述铁磁性金属为铁、钴、镍中的任意一种或两种以上的任意比例混合，金属与碳的重量比为1～20∶1。

本发明的石墨烯与碳包覆铁磁性纳米金属复合材料的制备方法为：

将浓度为0.1～10mg/mL的氧化石墨溶液超声分散0.5～5h制备氧化石墨烯分散液，然后按铁磁性金属的可溶性盐与氧化石墨重量比为0.1～100∶1将浓度为0.1～5mol/L的铁磁性金属盐溶液加入氧化石墨烯分散液中，搅拌0.5～10h，然后将沉淀剂按其与过渡金属可溶性盐的摩尔比为1～20∶1配成浓度为0.1～5mol/L的溶液，并将其以1～10mL/min的速率加入到上述溶有铁磁性金属可溶盐的氧化石墨分散液中，剧烈搅拌下在0～100℃反应0.5～10h，经抽滤、充分洗涤、干燥后即制得制得复合粉体，将其氮气或氩气氛下以5～50℃/min的速率升温至500～800℃，然后通入流速为10～100mL/min的氢气和碳源气体混合气进行化学气相沉积1～60min，然后在氮气或氩气氛下将反应降至室温，取出复合粉体，即得石墨烯/碳包覆铁磁性纳米金属复合材料。

所述的铁磁性金属为铁、钴、镍中的任意一种或两种以上的任意组合。

所述的铁磁性金属可溶性盐为硝酸盐、醋酸盐、氯化物、硫酸盐其中的任意一种。

所述的沉淀剂为氨水、氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钠、碳酸氢钠、氨水中的任意一种。

所述的碳源气体为一氧化碳、甲烷、乙炔、乙烯中的任意一种。

所述的氢气和碳源气体的比例为0.1～10∶1。

本发明以石墨烯材料为载体，将磁性纳米金属前驱体均匀负载在其表面，然后通过化学气相沉积法制备了均匀分散在石墨烯表面的碳包覆铁磁性纳米金属粒子，使其同时具有优良的磁性能和良好的导电性，可望在磁分离催化剂、污水处理、电磁屏蔽以及吸波等领域具有广泛的应用前景。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

本发明所制备的石墨烯/碳包覆铁磁性纳米金属复合材料同时具有优良的导电性和磁性能，因此在磁分离催化剂、污水处理、电磁屏蔽以及吸波等领域具有广泛的应用前景。

附图说明

图1为实施例3的石墨烯/碳包覆铁磁性纳米金属复合材料电子透射电镜照片。

图2为实施例3的石墨烯/碳包覆铁磁性纳米金属复合材料XRD谱图。

图3为各实施例的测试结果表1。

具体实施方式

下面举例对本发明做更详细地描述：

实施例1

将100mL浓度为0.1mg/mL的氧化石墨溶液超声分散5h制备氧化石墨烯分散液，然后按Fe(NO₃)₂与氧化石墨重量比为0.1∶1的比例将浓度为0.1mol/L的Fe(NO₃)₂溶液加入氧化石墨烯分散液中，搅拌0.5h，然后将沉淀剂碳酸钠按其与Fe(NO₃)₂的摩尔比为1∶1配成浓度为0.1mol/L的溶液，并将其以1mL/min的速率加入到上述溶有Fe(NO₃)₂的氧化石墨分散液中，剧烈搅拌下在0℃反应0.5h，经抽滤、充分洗涤、干燥后即制得催化剂复合粉体。然后将所制备的粉体于氮气氛下以5℃/min的速率升温至600℃，然后通入流速为10mL/min的氢气和一氧化碳混合气进行化学气相沉积1min，即得所需的石墨烯/碳包覆铁磁性纳米金属复合材料。其中氢气与一氧化碳的体积比为0.1∶1，具体性能见图3。

实施例2

将100mL浓度为10mg/mL的氧化石墨溶液超声分散5h制备氧化石墨烯分散液，然后按CoCl₂与氧化石墨重量比为100∶1的比例将浓度为5mol/L的CoCl₂盐溶液加入氧化石墨烯分散液中，搅拌10h，然后将沉淀剂尿素按其与CoCl₂的摩尔比为20∶1配成浓度为5mol/L的溶液，并将其以10mL/min的速率加入到上述溶有CoCl₂的氧化石墨分散液中，剧烈搅拌下在100℃反应10h，经抽滤、充分洗涤、干燥后即制得催化剂复合粉体。然后将所制备的粉体于氩气氛下以10℃/min的速率升温至500℃，然后通入流速为100mL/min的氢气和甲烷混合气进行化学气相沉积60min，即得所需的石墨烯/碳包覆铁磁性纳米金属复合材料。其中氢气与甲烷的体积比为10∶1，具体性能见图3。

实施例3

将100mL浓度为1mg/mL的氧化石墨溶液超声分散2h制备氧化石墨烯分散液，然后按Ni(CH₃COO)₂与氧化石墨重量比为20∶1的比例将浓度为1mol/L的Ni(CH₃COO)₂盐溶液加入氧化石墨烯分散液中，搅拌2h，然后将沉淀剂氨水按其与Ni(CH₃COO)₂的摩尔比为10∶1配成浓度为2mol/L的溶液，并将其以5mL/min的速率加入到上述溶有Ni(CH₃COO)₂的氧化石墨分散液中，剧烈搅拌下在20℃反应3h，经抽滤、充分洗涤、干燥后即制得催化剂复合粉体。然后将所制备的粉体于氩气氛下以30℃/min的速率升温至800℃，通入流速为50mL/min的氢气和乙烯混合气进行化学气相沉积1min，即得所需的石墨烯/碳包覆铁磁性纳米金属复合材料。其中氢气与乙烯的体积比为0.1∶1，具体性能见图3。

实施例4

将100mL浓度为2mg/mL的氧化石墨溶液超声分散3h制备氧化石墨烯分散液，然后按Ni(NO₃)₂和Co(NO₃)₂与氧化石墨重量比为40∶1的比例将浓度为2mol/L的Ni(NO₃)₂和Co(NO₃)₂的混合盐溶液加入氧化石墨烯分散液中，搅拌2h，其中Ni(NO₃)₂与Co(NO₃)₂的摩尔比为1∶1。然后将沉淀剂氢氧化钠按其与Ni(NO₃)₂和Co(NO₃)₂的混合盐的摩尔比为2∶1配成浓度为1mol/L的溶液，并将其以5mL/min的速率加入到上述溶有Ni(NO₃)₂和Co(NO₃)₂的混合盐的氧化石墨分散液中，剧烈搅拌下在30℃反应4h，经抽滤、充分洗涤、干燥后即制得催化剂复合粉体。然后将所制备的粉体于氩气氛下以20℃/min的速率升温至600℃，通入流速为50mL/min的氢气和乙炔混合气进行化学气相沉积20min，即得所需的石墨烯/碳包覆铁磁性纳米金属复合材料。其中氢气与乙炔的体积比为1∶1，具体性能见图3。

实施例5

将100mL浓度为5mg/mL的氧化石墨溶液超声分散0.5h制备氧化石墨烯分散液，然后按Ni(NO₃)₂和Fe(NO₃)₂与氧化石墨重量比为10∶1的比例将浓度为1mol/L的Ni(NO₃)₂和Fe(NO₃)₂的混合盐溶液加入氧化石墨烯分散液中，搅拌4h，其中Ni(NO₃)₂与Fe(NO₃)₂的摩尔比为2∶1。然后将沉淀剂氢氧化钾按其与Ni(NO₃)₂和Fe(NO₃)₂的混合盐的摩尔比为2∶1配成浓度为2mol/L的溶液，并将其以5mL/min的速率加入到上述溶有Ni(NO₃)₂和Fe(NO₃)₂的混合盐的氧化石墨分散液中，剧烈搅拌下在30℃反应5h，经抽滤、充分洗涤、干燥后即制得催化剂复合粉体。然后将所制备的粉体于氩气氛下以50℃/min的速率升温至700℃，通入流速为70mL/min的氢气和乙烯混合气进行化学气相沉积30min，即得所需的石墨烯/碳包覆铁磁性纳米金属复合材料。其中氢气与乙烯的体积比为0.1∶1，具体性能见图3。