[发明专利]一种核-壳稳定结构的碳包覆纳米零价铁材料的制备方法

说明书

本发明公开了一种核‑壳稳定结构的碳包覆纳米零价铁材料的制备方法，包括以下步骤：S1：称取酚类物质溶解在无水乙醇和水中，加入纳米四氧化三铁微球，在超声条件下分散；S2：在混合溶液中依次加入氨水和甲醛，在30℃下机械搅拌反应1h，采用磁倾析法处理混合溶液，将磁流体混合物洗至中性，得到固体颗粒，烘干得到酚醛树脂包覆的纳米四氧化三铁复合材料；S3：将纳米四氧化三铁复合材料置于管式炉中在750～950℃下煅烧，得到碳包覆核‑壳纳米零价铁复合材料。本发明方法制备的复合材料由于外部石墨化碳壳层的保护和隔离作用而具有很高的抗氧化能力和优良的电子传递能力，可以作为高效的过硫酸盐活化剂用于水体中有机污染物的高效氧化降解。

技术领域

本发明涉及环境修复技术领域，具体是涉及一种核-壳稳定结构的碳包覆纳米零价铁材料的制备方法。

背景技术

纳米零价铁由于具有环境友好、价格低廉、比表面积大和反应活性高等优点，而在环境修复领域受到人们广泛关注。基于其自身较强的还原性，纳米零价铁可以直接用于环境中重金属、含卤素化合物和硝基化合物等的去除。在高级氧化领域，纳米零价铁可以作为一种高活性的过硫酸盐活化剂用于各种难降解有机污染物的氧化去除。但是由于其自身的磁性和较高的表面能，纳米零价铁容易团聚，降低了其电子转移能力和活性。此外，纳米零价铁很容易和空气中的氧气反应，使得其存储和运输困难，限制了其大规模的实际应用。

目前，活性炭、生物质碳、碳纳米管等多孔材料通常被用来作为纳米零价铁的载体以减少其团聚，但是由于纳米零价铁负载在材料表面，存在易于脱落的问题，且纳米零价铁的氧化问题也难以有效解决。有研究表明，将纳米零价铁包埋在其它材料内部形成具有核-壳结构的纳米零价铁复合材料可以有效减缓其氧化过程。现阶段，研究比较多的是硫化纳米零价铁，它具有很好的反应活性和选择性，以及良好的电子传递能力，被认为是具有实际应用前景的一类环境修复材料，缺少吸附能力和结构调控的空间是硫化纳米零价铁面临的主要问题。

相比于硫，采用碳包覆纳米零价铁具有更多的优势。碳层容易进行官能团修饰且孔道结构易于调控。有研究指出碳层可以通过吸附实现污染物的预富集，且碳特殊的表面性质，特别是石墨化的碳，可以促进材料界面处的电子传递。如果能够制备出石墨化碳包覆的、具有核-壳结构的纳米零价铁复合材料将有望同时解决纳米零价铁的聚集和氧化问题，并获得优异的电子传递能力。然而，目前关于碳包覆核-壳结构纳米零价铁复合材料的研究较少，大多数的制备方法涉及到较长时间的水热反应，过程复杂，不易精准控制，难以进行大规模生产。因此，开发一种简单的、能够大规模制备具有核-壳结构的纳米零价铁复合材料的方法成为重要研究课题。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明提供了一种核-壳稳定结构的碳包覆纳米零价铁材料的制备方法。

本发明的技术方案是：

一种核-壳稳定结构的碳包覆纳米零价铁材料的制备方法，包括以下步骤：

S1、超声分散：称取1～5重量份的酚类物质，将其溶解在20重量份的无水乙醇和50重量份的水组成的混合溶液中，再在混合溶液中加入1重量份的纳米四氧化三铁微球，将混合溶液在超声条件下分散10～15min；

S2、搅拌反应：在步骤S1中得到的混合溶液中依次加入氨水和1～10重量份的甲醛，使混合溶液中氨的物质的量浓度为0.1～0.5mol/L，然后将混合溶液在30℃下机械搅拌反应1h，再采用磁倾析法处理混合溶液，得到磁流体混合物，将磁流体混合物用去离子水洗至中性，得到固体颗粒，然后将固体颗粒烘干，得到酚醛树脂包覆的纳米四氧化三铁复合材料；

S3、高温煅烧：将步骤S2中得到的纳米四氧化三铁复合材料置于管式炉中，充入惰性气体保护并在750～950℃下煅烧5～6h，得到碳包覆核-壳纳米零价铁复合材料。

进一步地，所述步骤S1中酚类物质为苯酚、间苯二酚、对苯二酚、间苯三酚其中的一种或两种。所选用的酚类物质均为易于甲醛反应生成酚醛树脂的酚类化合物。