[发明专利]有序介孔碳负载纳米零价铁复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种有序介孔碳负载纳米零价铁材料的制备方法，属于介孔材料制备技术领域。

背景技术

纳米零价铁粒径数量级为1-100nm，颗粒细小，比表面积大，具有很强的吸附性；电极电位E⁰(Fe²⁺/Fe)＝-0.44V，电负性很大，具有很高的反应活性。由于纳米零价铁同时具有还原、吸附、絮凝和沉淀作用，使其在环境治理与修复领域成功得到广泛应用。虽然纳米零价铁具有表面效应、体积效应、量子效应、小尺寸效应以及强还原性，但表面未经修饰的纳米零价铁极易发生团聚，且颗粒粒径分布不均匀；置于空气中极易被氧化，甚至自燃。

有序介孔碳（Ordered Mesoporous Carbon）材料是最近研发的一类新型的非硅基有序介孔材料。有序介孔碳相比普通活性炭，具有巨大的比表面积（可高达2500m²/g）、均匀规整的孔道结构、窄的孔径尺寸分布（2nm-50nm）、表面富含不饱和基团等特点，在催化、吸附、分离等诸多领域拥有广泛的应用前景。相比普通纳米零价铁，有序介孔碳负载的纳米零价铁颗粒具有良好的分散性，颗粒粒径分布均匀，抗团聚性好。有序介孔碳负载纳米零价铁同时具备介孔碳的高效吸附性和零价铁的强还原性，可有效实现环境水体的快速修复。

目前有序介孔碳负载纳米零价铁复合材料的制备方法的相关文献报道有：

1.纳米零价铁/有序介孔碳（Fe⁰/OMC）的合成及其对硝基苯的吸附还原（Synthesis of nanoscale zero-valent iron/ordered mesoporous carbon for adsorption and synergistic reduction of nitrobenzene,Chemosphere87(2012)655-660）

该方法是将0.088g FeS0₄·7H₂0溶于0.3mL水中，再混合0.1g有序介孔碳，然后用超声波超声30分钟；将该混合物置于室温下蒸发一天，然后在炉中以50°C烘干，再在氮气气氛下以300°C锻烧。将此固体转至5mL去离子水中，用相当量的NaBH₄将Fe²⁺还原成Fe⁰。得到的纳米零价铁/有序介孔碳以真空过滤，并以无水乙醇洗涤。最后将此黑色固体冻干，并在氮气氛围中密封保存。

该方法在液相还原前，用炉子将混合物烘干并锻炼时，易造成铁盐团聚，最后用NaBH₄进行还原时，易导致仅有铁盐外表面被还原成零价铁，而内部仍为铁盐。另外该方法采用的溶剂是简单水溶液，而文献报道了在水溶液中用KBH₄还原Fe²⁺，采用不同的操作方法，最终制备的均为诸如Fe₆₅B₃₅的化合物而不是单质金属，在极个别情况下铁也会以无定形方式混杂于诸如Fe₆₃B₃₇或Fe₂B的合金中，但一般不以纯金属铁出现。即简单的水溶液体系即使采用强还原剂也很难制备出单质金属铁纳米粒子（《金属铁纳米粒子的液相制备、表面修饰及其结构表征》1004．1656(2009)05-0665-05）。

2.CN101580240A公开的《一种载铁有序介孔碳材料的制备方法》

该方法制备的Fe⁰/OMC材料，其中有大部分纳米零价铁颗粒包覆在有序介孔碳基之中，在孔道表面分布的纳米零价铁颗粒十分有限，从而降低了该材料的反应活性。其次，该方法中纳米零价铁颗粒是由碳源将铁的前驱（Fe²⁺或Fe³⁺）还原成Fe⁰而来的，故当铁的负载量增加后，还原所消耗的碳源也相应增加，易造成孔道坍塌。

发明内容

本发明针对现有有序介孔碳负载纳米零价铁材料的制备技术存在的不足，提供一种过程简单方便、制备效率高的有序介孔碳负载纳米零价铁复合材料的制备方法。

本发明的有序介孔碳负载纳米零价铁复合材料的制备方法，整个过程是在氮气氛围下进行的，反应时的温度为15-25℃（即步骤（1）、（2）、（3）是在15-25℃温度下进行的），搅拌速度为200-300转/分钟，具体包括以下步骤：