[发明专利]一种多孔碳包覆四氧化三铁纳米颗粒及其固相制备方法

说明书

本发明涉及一种多孔碳包覆四氧化三铁纳米颗粒及其固相制备方法，所述制备方法包含以下步骤：按比例称量固体有机物和氧化性铁盐，其中两者质量比为1:2～2:1；搅拌并研磨充分后得到均匀粉末，置于真空或惰性气氛保护中，以2～10℃/min的升温速率升温至300～350℃，再以5～10℃/min升温至700～900℃之间，保温1～2h后随炉冷却将获得的粉体依次进行去离子水清洗、过滤、烘干，得到黑色粉体，即多孔碳包覆四氧化三铁纳米颗粒。本发明所提出的制备方法为一步固相反应，具有工序少、设备投资小、高效节能、可行性强等优势，制备的多孔碳包覆四氧化三铁纳米颗粒产品得率高、比表面积大、孔隙分布合理、结构稳定性好，在实际生产制备过程中具有指导意义。

技术领域

本发明涉及多孔碳包覆四氧化三铁纳米颗粒及其固相制备方法，属于锂离子电池电极材料、磁选材料制备领域。

背景技术

四氧化三铁是一种常用的工业原料，在磁记录材料、电极材料、焊接材料、催化剂、吸附材料、药物载体、医疗设备元件、磨料、涂层材料中已有广泛应用。纳米四氧化三铁颗粒兼有磁性和纳米级颗粒的特征，也如同一般纳米颗粒一样易于团聚、不易分散，且纳米四氧化三铁颗粒的磁性易受外界环境影响而变质失效。因而对纳米四氧化三铁颗粒进行表面处理，例如使用碳、聚合物等对其进行表面包覆后，不仅可以阻止其在溶液中的团聚，并且还可以提高其化学稳定性。

碳包覆后的纳米四氧化三铁作为金属氧化物基负极材料，拥有远高于石墨的理论比容量(372mAh/g)，而且还具有化学稳定性好、环境友好、导电率高、电解液浸润性好、放电平台低、具有较长的电压稳定区间等特点。此外，碳包覆四氧化三铁用作新型磁性吸附材料时，兼具碳壳孔隙较强的物理吸附作用及四氧化三铁的磁性，在磁选法处理废水中重金属离子方面也有着巨大的应用前景。但碳包覆四氧化三铁的制备流程繁杂、条件控制苛刻、设备成本高昂等问题限制了其工业化生产。

目前通过原料溶液混合、水热反应、热处理是制备碳包覆四氧化三铁的主流途径。

何春年等(中国专利201210261095.3)配置了葡萄糖碳源水溶液与硝酸铁溶液，经过了混合、水热、离心收集、重新分散、冷冻干燥、煅烧后得到碳包覆四氧化三铁纳米颗粒。该制备过程反应控制条件较为严格，制备成本高。

刘旭光等(中国专利2014103446354.1)配制葡萄糖水溶液、混合溶液、超声分散、水热合成、冷却、洗涤、离心分离、真空干燥、微波加热煅烧后得到碳包覆四氧化三铁微球。该制备过程较为繁杂，设备成本高，且微波炉及管式炉限制了中试放大的可能。

曾辉平等(中国专利201811476793.9)提出制备纳米级碳包覆磁性四氧化三铁的方法，制备过程包括铁离子的提纯与浓缩和纳米级碳包覆磁性四氧化三铁的制备。铁离子的提纯与浓缩：将水厂除铁除锰生物滤池反冲洗废水静置沉淀2～5天、加酸、搅拌1小时、静置沉淀8～14 小时、加碱调节pH、沉淀、固液分离、加酸溶解、蒸发浓缩、加入NaOH溶液调节pH；纳米级碳包覆磁性四氧化三铁的制备：葡萄糖和尿素溶解、磁力搅拌30～60分钟、转移该溶液至高压反应釜、置入烘箱、保持12～16小时、自然冷却至室温、超声分散5min，以蒸馏水冲洗5～7遍、外加磁场分离、在50～60℃下干燥4～8小时，得到纳米级碳包覆磁性四氧化三铁。该制备过程耗时过长，步骤过于繁琐、制备成本高，不利于工业化生产。

综上所述，我们可以发现碳包覆四氧化三铁纳米颗粒的生产基于液相法制备，主要步骤为以葡萄糖溶液以及铁盐溶液为主要原料进行混合，经过调节pH值、超声分散以及水热反应等前处理，烘干后再放入惰性气氛中升温至400～800℃进行热处理，高温下葡萄糖重组炭化形成碳壳。这些制备方法获得的碳壳一般不具有多孔结构，所以还需通过额外的物理活化或者化学活化工艺进行造孔。然而碳壳具有较好的机械性能，造孔工艺较为复杂，孔隙分布不均匀且主要存在活化剂用量大、活化工艺步骤和参数多、活化能耗高、产品得率低等问题。同时，一些先进的合成方法，如离子液法、微乳液法、超声辐射法仍处在研究阶段，量产尚有难度。因此，操作简单、成本低廉、效率高、规模化制备多孔碳包覆四氧化三铁纳米颗粒的新技术仍有待发掘。