五羰基鐵為鐵源氣相爆轟合成納米碳包鐵的方法與流程

本發明屬于納米材料合成技術領域，是以五羰基鐵為鐵源，用氣相爆轟的方式來合成納米碳包鐵的技術。

背景技術：

納米碳包鐵顆粒具有特殊的核殼結構，是一種中心為納米鐵顆粒，外部由碳層緊密包裹的納米粒子。由于碳層緊密包裹納米鐵顆粒，碳層阻隔了空氣中氧對納米鐵的氧化，也阻隔了酸堿等物質與納米鐵反應，從而擴大了納米鐵的應用范圍；另外，對碳表面進行各種活化處理，也可以使其負擔各種藥物、改善吸附性。因而，納米碳包鐵在電子領域、污水處理、生物醫學等領域有很好的應用潛力。

盡管納米碳包鐵具有十分優越的性能以及廣闊的應用前景，但目前合成納米碳包鐵的手段有限，合成成本較高。主要合成方法包括：電弧放電法(魏志強，朱林，喬紅霞.直流碳弧等離子體法制備碳包覆鐵納米顆粒研究.《真空科學與技術學報》.2008,28(5):454-457)、化學氣相沉積法(n.sano，h.akazawa,t.kikuchi，t.kanki.separatedsynthesisofiron-includedcarbonnanocapsulesandnanotubesbypyrolysisofferroceneinpurehydrogen.《carbon》，2003，41(11):2159-2162)和炸藥爆轟法(孫貴磊，李曉杰，閆鴻浩.碳包覆鐵碳化合物的爆轟合成及表征.《功能材料》.2007,(a06):2167-2169)等。其中電弧放電法對設備要求比較嚴格，并且它的能量損耗較大，很難工業化生產碳包鐵。化學氣相沉積法經過長時間的技術進步，合成的納米顆粒技術已經非常成熟，但碳包覆鐵納米顆粒合成過程中需要高溫熱解有機和含碳氣體，依然會大量消耗能源，同時會有許多碳雜質的出現。而炸藥爆轟法，雖然它具有工藝簡單、合成效率高，可接近工業化生產，但是合成過程中需要使用炸藥進行爆炸，存在一定的安全問題；此外，由于需要使用炸藥配方，容易帶入雜質，不適于生物醫藥這類高純物質的合成。因此，發展高效、快速、高產率的合成納米碳包鐵保合成方法尤為重要。為此，本發明采用以五羰基鐵為鐵源，通過氣體的爆轟法合成納米碳包鐵，能夠在極短時間內大量的合成純凈的納米碳包鐵。

過去以氣體爆轟法合成納米碳包鐵是以二茂鐵作為鐵源的(閆鴻浩，趙鐵軍，李曉杰，王小紅，碳包覆鐵納米顆粒的氣相爆轟合成，《高壓物理學報》，2016(3):207-212)，二茂鐵作為鐵源進行氣相爆轟合成有很多缺點。二茂鐵是一種具有芳香族性質的有機過渡金屬化合物，常溫壓下熔點172-174℃，沸點249℃，100℃以上能升華。由于在常溫壓下為固體狀態，在加熱的爆轟管受熱很難完全升華，不利于納米碳包鐵的生成。如果將爆轟管加熱到249℃二茂鐵沸點以上，不但會增加能量消耗，也不利于氣體爆轟的安全性。而五羰基鐵在常溫下為液態(熔點-20.3℃)利于傳熱氣化，而且五羰基鐵的氣化點較低，沸點只有103℃，更容易氣化，可以與爆轟氣體很均勻充分地混合在一起，這樣有利于更細小和更純凈的納米碳包鐵。另外，五羰基鐵在工業上已經廣泛的用于合成羰基鐵粉，即在常壓250℃-300℃時熱解五羰基鐵，已是工業化制取羰基鐵粉的最基本方法，工業化基礎很強，所以利用五羰基鐵生產納米碳包鐵也會是一種很好的工業化合成方法。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種用氣相爆轟方式來合成納米碳包鐵的方法，其制備方法簡單、高效、廉價、產量大并且純凈。

本發明的技術方案：

五羰基鐵為鐵源氣相爆轟合成納米碳包鐵的方法，步驟如下：

(1)將氣相爆轟管密閉后抽真空，加熱裝有五羰基鐵或九羰基二鐵的密封氣化容器至100～140℃；

(2)向氣相爆轟管內注入五羰基鐵、碳氫氣體和含氧氣體，混合氣體至壓力50～200kpa；

(3)停止氣相爆轟管加熱，用電火花引爆管內混合氣體；

(4)爆轟完畢后，打開排氣閥放出、吹掃并過濾氣體，收集氣相爆轟管內的固體產物，即為納米碳包鐵。

其中，五羰基鐵中的鐵與碳氫氣體中的碳，二者的摩爾比為2～20:10；

所述的碳氫氣體為乙炔、甲烷、丙烷、天然氣、石油液化氣中的一種或兩種以上混合。

所述的含氧氣體為空氣，氧氣，以及它們與氮、二氧化碳的混合氣體；

在爆轟反應中為使所有氫反應完畢，并產生盡量多的碳，氫、氧原子的摩爾比為15～25:10，優選為2:1。

本發明的有益效果：

1)提供的氣相爆轟法制備納米碳包鐵反應條件溫和、簡單易控。

2)通過提供高溫高壓的環境，可在極短時間內大量合成納米碳包鐵。

3)所制備的產物純度較高，生產成本低廉，其結構和性能優越。

附圖說明

圖1為本發明的所用制備納米碳包鐵裝置示意圖。

圖2為實施例1納米碳包鐵的x射線衍射圖。

圖3為實施例1合成的納米碳包鐵透射電鏡(tem)照片。

圖4為實施例2合成的納米碳包鐵透射電鏡(tem)照片。

圖中：1爆轟管與加熱系統；2氣體爆轟腔；3密封法蘭；4氣閥；5真空表；6氣閥；7點火電極；8五羰基鐵氣化容器。

具體實施方式

以下結合附圖和技術方案進一步說明本發明的具體實施方式。

本發明提供一種通過氣相爆轟的方式來合成納米碳包鐵的新型制備方法，包括以下實施例：

實施例1

將8.2l的氣相爆轟管1加熱至135℃，由氣閥6抽真空至0.2kpa。將裝有液態五羰基鐵或九羰基二鐵粉末的氣化容器8也加熱至135℃。將氣相爆轟管1上的氣閥6切換至乙炔c2h2氣，注入乙炔至36.2kpa，乙炔量約98.8×10^-3mol；通過氣閥4向爆轟管內腔2注入已經氣化的五羰基鐵fe(co)5至48.2kpa,五羰基鐵含量約32.9×10^-3mol；再將氣閥6切換至氧氣o2，注入氧至84.2kpa，氧含量約98.8×10^-3mol。保溫數分鐘，待氣體自然混勻，停止加熱。使用高能點火器連接點火電極7，產生電火花引爆爆轟管內腔2中的混合氣體。爆轟完畢后，將氣閥4切換至排氣狀態，放出并過濾氣體；氣閥6切換成高壓空氣，吹掃爆轟管，氣閥4處排氣并過濾。最后，打開爆轟管1收集沉積在管內壁上的粉末產物，將過濾的和爆轟管固體粉末集中檢驗，所獲得即為納米碳包鐵。圖2為粉末產物的x射線衍射圖，主峰為α-fe峰,含有少量fe3c。通過tem檢驗(見圖3)，觀察到產物的直徑在5～30nm之間，為碳包覆鐵芯球狀顆粒，偶有團聚。

實施例2

按照實施例1的制備方法，將98.8×10^-3mol氧氣的量換成66.8×10^-3mol，其余步驟均與例1相同，均能得到納米碳包鐵,tem照片見圖4。

實施例3

按照實施例1的制備方法，將98.8×10^-3mol氧氣換成142.2×10^-3mol的空氣，其余步驟均與例1相同，得到納米碳包鐵。

實施例4

按照實施例1的制備方法，將98.8×10^-3mol乙炔換成98.8×10^-3mol的甲烷、丙烷、天然氣、液化氣等，將98.8×10^-3mol氧氣的量換成66.80×10^-3mol，其余步驟均與例1相同，均能得到納米碳包鐵。

綜上所述，本發明通過氣相爆轟的方式來合成納米碳包鐵的方法，利用氣體爆轟過程產生的高溫高壓環境，熱解五羰基鐵fe(co)5，提供了合成納米碳包鐵的發明方法，這種合成手段新穎，高效，有望能夠用于大規模的實踐生產中。

本發明不局限于上述實施例的參數和配比方案，凡在本發明的精神和原則之內所做的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。