[发明专利]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

说明书

技术领域

本发明属于纳米复合材料技术领域，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。

背景技术

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。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明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，本发明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。

本发明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：