一种基于碳纤维和二茂铁复合的强紫外可见粉体材料及其制备方法

摘要

本发明公开了一种基于碳纤维和二茂铁复合的强紫外可见粉体材料的制备方法。首先利用甘蔗皮烧制碳纤维并活化，然后采用固相反应将活化的碳纤维和二茂铁混合后研磨均匀，使其混合均匀和充分复合，制得复合粉体材料。本发明利用甘蔗皮和二茂铁制备的复合材料在200～800nm较宽的紫外可见波长的区域对光有良好吸收，有望在太阳能电池中做理想的吸光材料，且实现了变废为宝的目的。

说明书

技术领域

本发明属于复合功能材料技术领域。更具体地，涉及一种基于碳纤维和二茂铁复合的强紫外可见粉体材料及其制备方法。

背景技术

二茂铁衍生物作为非苯芳香化合物，由于分子中铁原子的存在，使二茂铁及其衍生物的理化性质显示出不寻常的多样性。因此，各国对二茂铁及其衍生物的合成、性质和分子结构的研究十分活跃，数十年来长盛不衰。正因为二茂铁衍生物性质的多样性和稳定性，使其应用领域非常广泛。例如在燃烧性能调节剂、不对称合成催化剂、磁性材料、液晶材料以及生化医药等诸多方面都有重要应用价值。

活性炭纤维（activatedcarbonfiber，ACF）是20世纪70年代初在炭纤维的基础上发展起来的一种新型吸附功能材料，是继粉状、粒状活性炭后的第三代活性炭吸附材料。活性炭纤维的纤维丝直径细、微孔结构发达、比表面积和吸附容量大、大量微孔开口在纤维丝表面，因而吸、脱附速度快；具有孔径分布集中、对低浓度吸附质吸附能力特别优良等特点，现已广泛用于气体分离和废水处理等方面。活性炭纤维的表面化学结构和孔隙结构是影响其吸附能力的重要因素，可通过物理改性和化学改性等手段改变其表面化学结构和孔隙结构，以进一步提高其吸附性能。因此，研究活性炭纤维的表面改性及其孔隙结构具有重要意义。

甘蔗皮中富含丰富的有机物和相当大量的木质纤维，具有很大的应用价值。但是因为其本身没有受到一定的关注，大部分甘蔗皮都是被直接扔掉的，造成了极大的浪费。

发明内容

本发明的目的是基于二茂铁衍生物具有比较大的π电子共轭体系以及较强的内部分子电子转移特性，具有良好的光电功能性质；而碳纤维与有机金属化合物有良好的界面相互作用，碳纤维在紫外光区域有特殊的光学性质；将碳纤维与二茂铁在一定条件下以不同的摩尔比例进行复合，制得一种新型的有机/无机复合材料。该复合材料在200～800 nm较宽的紫外可见波长的区域对光有良好吸收，有望成为太阳能电池等的理想吸光材料，而且达到了变废为宝的目的。

本发明的目的是提供一种基于碳纤维和二茂铁复合的强紫外可见粉体材料及其制备方法。

本发明另一目的是提供所述强紫外可见粉体材料在吸光材料方面的应用。

本发明上述目的通过以下技术方案实现：

一种基于碳纤维和二茂铁复合的强紫外可见粉体材料的制备方法，包括如下步骤：

S1.利用甘蔗皮烧制碳纤维；

S2.制备活性炭纤维；

S3.采用固相反应制备碳纤维和二茂铁复合材料：将活性炭纤维和二茂铁混合后研磨均匀，使其混合均匀和充分复合，制得复合粉体材料。

优选地，步骤S3中活性炭纤维和二茂铁的质量比为3～5：5～7。

优选地，步骤S3中所述研磨的时间为1.0～2.0小时。

优选地，步骤S1利用甘蔗皮烧制碳纤维的方法为：用H₃PO₄溶液和蒸馏水先后将新鲜的甘蔗皮清洗（3遍）干净后，102～110℃烘干至恒重，破碎（如用剪刀剪碎），500～700℃煅烧1.5～2.5h使其碳化，然后研磨成粉末状。

其中优选地，所述H₃PO₄溶液中H₃PO₄和蒸馏水的体积比为1:15～25mol。

优选地，步骤S2制备活性炭纤维的方法为：步骤S2制备活性炭纤维的方法为：将步骤S1得到的碳纤维加入磷酸溶液中，50～70℃活化80～100min（优选60℃活化90min）；然后将溶液过滤，然后用蒸馏水冲洗滤渣至中性或接近中性；再将滤纸和滤渣一同放置在100～120℃（优选110℃）的烘箱里面，烘干至恒重，即得到活性炭纤维，倒于广口瓶中储存。

优选地，所述磷酸溶液中磷酸和水的体积比为1：5～15。

更优选地，所述磷酸溶液中磷酸和水的体积比为1：10。

优选地，所述碳纤维和磷酸溶液的质量体积为：1.5～2.0g：3.0～5.0mL。

本发明采用甘蔗皮制备了碳纤维，甘蔗皮中含有相当大量的木质纤维，在经过干燥去除水分，马弗炉高温煅烧使其碳化并增加比表面积，减小粒径最后用磷酸活化后可以转变成性能稳定，粒径极小的活性炭纤维。将碳纤维活化之后，与二茂铁在一定条件下以不同的摩尔比例经固体研磨法进行复合，制得有机/无机复合产物。并将复合产物进行结构分析，探讨其光电性能，为开发新型二茂铁功能复合材料提供理论和实验依据。

本发明具有以下有益效果：

本发明利用甘蔗皮和二茂铁制备的复合材料在200～800nm较宽的紫外可见波长的区域对光有良好吸收，有望在太阳能电池中做理想的吸光材料，且实现了变废为宝的目的。

附图说明

图1为400℃烧制碳纤维的电镜图片。

图2为500℃烧制碳纤维的电镜图片。

图3为600℃烧制碳纤维的电镜图片。

图4为700℃烧制碳纤维的电镜图片。

图5为碳纤维和二茂铁复合材料的XRD图片。

图6为碳纤维和二茂铁复合材料的固体紫外图像。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例来进一步说明本发明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。

除非特别说明，以下实施例所用试剂和材料均为市购。

实施例1强紫外可见粉体材料的制备

1、甘蔗皮的碳化——烧制碳纤维

（1）用H₃PO₄溶液（H₃PO₄溶液中H₃PO₄和蒸馏水的体积比为1:15～25）和蒸馏水先后将新鲜的甘蔗皮清洗3遍，洗净后置于102～110℃烘箱中烘至恒重，取出后将甘蔗皮用剪刀剪碎，置于广口瓶中备用。称取4.5～5.5g剪碎处理好的甘蔗皮样品放在瓷坩埚中，加盖后放置在马弗炉中高温煅烧使其碳化，煅烧温度分别为400、500、600、700℃高温煅烧使其碳化，煅烧时间为1.5～2.5h。取出煅烧后的甘蔗皮，在研磨皿中用研磨杵研磨成粉末状倒入烧杯，用于下一步的活化。

（2）烧制碳纤维的扫描电镜检测

分别取微量的400℃、500℃、600℃、700℃烧制活化后的碳纤维进行电镜检测。通过电镜图片的差异对不同温度下的烧制程度进行比较，讨论出最适合且比较节能的烧制温度。

由电镜的图像（图1～4）可以看出，烧制的碳展现出的是一种层纤维状的结构。但400℃的时候，这种层纤维状并不明显，只有少部分分层纤维化，大多是以块状的形式存在。随着烧制温度的升高，500℃时块状分离，形成少许的纤维状，600～700℃时，层纤维化明显，小块的碳也开始呈现层纤维状。

结果表明，温度越高的时候，碳纤维烧制的更加透彻，晶体更小，层状纤维结构也更清晰。综合考虑节能和烧制的完全程度，本发明采用600℃烧制的碳纤维进行下一步的合成实验。

2、碳纤维的活化

（1）向上一步装有1.5～2.0g研磨成粉末状碳纤维的烧杯中加入3.0～5.0mL磷酸溶液（磷酸溶液中磷酸和水的体积比为1:5～15），放置在60℃的烘箱中活化90min。

（2）活化后取出，将溶液过滤，然后用蒸馏水冲洗滤渣至中性或接近中性。再将滤纸和滤渣一同放置在110℃的烘箱里面，烘干至恒重，即得到活性炭纤维，倒于广口瓶中储存。

3、碳纤维和二茂铁复合材料的制备

采用固相反应：取0.3～0.5g制备好的活性炭纤维和0.5～0.7g二茂铁于研磨皿中，用研磨杵研磨粉末1.0～2.0小时，研磨均匀，使其混合均匀和充分复合，制得复合粉体材料（固体粉末）。

发明人团队研究过程中发现，本发明的材料制备方法中，固相反应节省溶剂和反应时间，绿色环保；且材料紫外可见吸收效应很强。但是固相反应一定要研磨均匀，为保证研磨均匀，可在研磨过程中分段取一定量少许样品，用无水乙醇洗去二茂铁后称重，若两次称重质量相对误差在0.1～0.2%，则表明研磨已经均匀。

实施例2碳纤维和二茂铁复合材料的检测

1、XRD检测

将经研磨皿研磨的固体粉（即碳纤维和二茂铁复合材料）取适量进行XRD的检测。

结果如图5所示，在47.63存在峰值，根据PDF标准卡片对比可知该峰值是铁的特征峰，证明了铁的存在，说明经研磨后的固体粉末，碳已经和二茂铁复合成功。

2、固体紫外检测

将经研磨皿研磨的固体粉（即碳纤维和二茂铁复合材料）取适量进行固体紫外的检测。

结果如图6所示，可以清晰地看出复合固体粉末材料最大吸收波长分别位于240nm、433nm，在200～550nm波长范围内有非常强的紫外可见吸收效应，在550～800 nm有部分可见吸收效应。

实验表明该复合材料紫外可见吸收范围较宽，有望做全紫外可见吸收材料和应用于光伏材料、电子器件等领域。

实施例3碳纤维和二茂铁复合方式的优化

1、碳纤维的制备和活化同实施例1，不同在于碳纤维和二茂铁的复合方式采用溶剂法，具体是：取0.6032 g制备好的活性炭纤维和0.9301 g的二茂铁至于圆底烧瓶中，加入30 mL，腈做溶剂，搅拌子，烧瓶上方加球型冷凝管，通水，在65摄氏度的条件下加热搅拌2 h，使其复合。将搅拌回流冷凝，1～3天析出后得橙黑色微晶粉体。

2、结果显示，此法不仅耗费溶剂和时间，更重要的是得到的材料紫外可见吸收效应显著弱于本发明方法制备的材料。