本發(fā)明涉及材料
技術領域：
，更具體地說，是涉及一種鐵/碳復合材料。
背景技術：
：鐵/碳復合材料是一種用途廣泛、性能優(yōu)異的新型材料，被廣泛應用于光催化材料、電極材料、傳感器、污水處理等領域。目前，該材料的合成方法主要有電弧法、離子束法、激光法、化學氣相沉積法、高溫熱處理法和低溫熱解法。利用這些制備方法可以合成出不同粒徑尺寸、不同形態(tài)的鐵/碳復合材料。但是，這些鐵/碳復合材料的合成方法普遍存在成本高、操作復雜等缺點。比如：電弧法需要特殊的電弧放電裝置和純凈的原材料，但獲得的產物產量卻很少；化學氣相沉積法需要用到特殊的實驗裝置且合成耗時較長；高溫熱處理法需要至少1500℃以上的高溫，因此不僅能耗高、耗時長、而且對實驗儀器要求較高。為解決上述技術問題，本發(fā)明由此而來。技術實現(xiàn)要素：發(fā)明的目的在于提供一種原料來源廣泛，成本低，適合大規(guī)模推廣的鐵/碳復合材料及其制備方法，合成的鐵/碳復合材料可用于去除環(huán)境污染物。為了解決目前現(xiàn)有技術中的這些問題，本發(fā)明第一方面提供的技術方案是一種鐵/碳復合材料的制備方法，其包括如下步驟：(1)水熱法碳化原材料選取有機碳源及溶解性三價鐵鹽為鐵源，將有機碳源清洗預處理后，按碳鐵元素比為10:1-20:1的比例將有機碳源和鐵源加入反應釜中，并加入適量的水將有機碳源和鐵源充分混合，在一定溫度和時間下，得到碳化產物；(2)共沉淀-電鍍法還原步驟(1)的產物將步驟(1)中得到的碳化產物用水進行清洗，并分散于水相中，然后加入與鐵元素等物質的量的還原劑，靜置一段時間；(3)鐵/碳復合材料的分離和后處理將步驟(2)中得到的產物進行固液分離，用水清洗固體產物，然后真空干燥，最后即得到鐵/碳復合材料。優(yōu)選地，有機碳源選自糖類，進一步，有機碳源選自單糖或多糖，更進一步，所述有機碳源選自葡萄糖或稻殼農業(yè)有機廢棄物或其混合。優(yōu)選地，所述溶解性三價鐵鹽選自硝酸鐵、硫酸鐵、氯化鐵。優(yōu)選地，步驟(1)中，將反應釜放置于鋼釜內，進行加熱反應。優(yōu)選地，步驟(1)中，充分混合的有機碳源和鐵源在溫度160-220℃、反應時間8-18小時條件下，最后得到碳化產物。優(yōu)選地，步驟(2)中的還原劑選自硼氫化鈉。優(yōu)選地，步驟(2)中在室溫條件下，邊攪拌邊緩慢滴加與鐵元素等物質的量的還原劑。優(yōu)選地，所述步驟(3)中真空干燥為在真空干燥箱60℃下干燥8-24小時。本發(fā)明提供的一種鐵/碳復合材料的制備方法，其包括如下步驟：(1)水熱法碳化原材料首先選用合適的碳源和鐵源。可以利用葡萄糖等有機原料或稻殼等農業(yè)有機廢棄物為碳料，用溶解性三價鐵鹽為鐵源。將碳源清洗預處理后，按一定的比例與鐵源混合(碳鐵元素比為10:1-20:1)，然后將混合物加入反應釜中，并加入適量的水將其充分混合，將反應溫度控制在180℃左右，反應時間為8-18小時；(2)共沉淀-電鍍法還原步驟(1)的產物將步驟(1)中得到的碳化產物用水進行清洗并分散于水相中，在室溫條件下邊攪拌邊緩慢加入與鐵元素等物質的量的還原劑(硼氫化鈉，NaBH4)，然后靜置約0.5-2小時；(3)鐵/碳復合材料的分離和后處理將步驟(2)中得到的產物進行固液分離，將固體產物用水多次清洗以清除殘留的反應物，然后放入真空干燥箱，在60℃溫度下干燥至少8小時，即可得到鐵/碳復合材料。本發(fā)明首次利用水熱法-共沉淀-電鍍法相結合的方法來制備鐵/碳復合材料。合成過程可分解為兩個步驟：首先，采用水熱法將添加有鐵鹽的有機物原料進行碳化；第二，采用適當?shù)倪€原劑對碳化后的產物進行還原，從而得到所需的材料。本發(fā)明主要公開了一種低成本、簡單實用、且環(huán)保的鐵/碳復合材料的制備方法。與傳統(tǒng)的一步合成方法相比，本發(fā)明中的制備方法分成兩步進行，需要的反應溫度較低且操作簡單。第一步采用水熱合成法，反應溫度僅約為180℃。第二步中的共沉淀-電鍍反應在室溫下進行，因此不僅降低了運行能耗而且降低了操作的危險性。另外,該方法可以適用于淀粉、糖類、纖維素以及含有這些物質的多種有機物原料(包括廢棄生物質)，可顯著降低原料成本甚至可以實現(xiàn)變廢為寶，這些都顯著提高了大規(guī)模工業(yè)生產的經濟技術可行性、環(huán)境友好性和可持續(xù)性。利用該方法得到的鐵/碳材料中鐵元素主要以零價鐵的形態(tài)固定存在于多孔碳材料的表面和內部，碳材料不僅作為負載零價鐵的基底而且還對零價鐵起到一定的保護作用。因此，合成的復合材料既具有零價鐵良好的還原能力，也具有碳材料對有機污染物良好的吸附能力，從而實現(xiàn)水中有機污染物更高效的去除。同時其負載的鐵元素在反應過程中會被緩慢釋放出來，因此不會造成鐵元素的浪費和形成大量鐵泥。最終，將利用本發(fā)明方法合成的鐵/碳復合材料應用于芬頓高級氧化體系中，以達到高效去除水體中污染物的目的。附圖說明圖1為本發(fā)明制備方法的流程圖。圖2為本發(fā)明制備方法合成的鐵/碳復合材料。圖2(a)為用稻殼做為碳源合成的材料，圖2(b)為用葡萄糖做碳源合成的材料。圖3(a、b)顯示以葡萄糖為碳源的鐵/碳復合材料的掃描電鏡(SEM)表征圖。圖4顯示采用不同碳源合成的鐵/碳復合材料在不同pH下亞鐵離子(Fe2+)的溶出情況。圖5顯示基于鐵/碳復合材料的芬頓法去除磺胺二甲基嘧啶的效果。具體實施方式以下結合具體實施例對上述方案做進一步說明。應理解，這些實施例是用于說明本發(fā)明而不限于限制本發(fā)明的范圍。實施例中采用的實施條件可以根據(jù)具體廠家的條件做進一步調整，未注明的實施條件通常為常規(guī)實驗中的條件。介紹和概述本發(fā)明通過舉例而非給出限制的方式來進行說明。應注意的是，在本公開文件中所述的“一”或“一種”實施方式未必是指同一種具體實施方式，而是指至少有一種。下文將描述本發(fā)明的各個方面。然而，對于本領域中的技術人員顯而易見的是，可根據(jù)本發(fā)明的僅一些或所有方面來實施本發(fā)明。為說明起見，本文給出具體的編號、材料和配置，以使人們能夠透徹地理解本發(fā)明。然而，對于本領域中的技術人員將顯而易見的是，本發(fā)明無需具體的細節(jié)即可實施。在其他例子中，為不使本發(fā)明費解而省略或簡化了眾所周知的特征。將各種操作作為多個分立的步驟而依次進行描述，且以最有助于理解本發(fā)明的方式來說明；然而，不應將按次序的描述理解為暗示這些操作必然依賴于順序。將根據(jù)典型種類的反應物來說明各種實施方式。對于本領域中的技術人員將顯而易見的是，本發(fā)明可使用任意數(shù)量的不同種類的反應物來實施，而不只是那些為說明目的而在這里給出的反應物。此外，也將顯而易見的是，本發(fā)明并不局限于任何特定的混合示例。實施例1鐵/碳復合材料的制備方法(1)、水熱法碳化有機物取2g的稻殼，用水進行多次清洗去除表面的雜質，然后在60℃左右烘干；將經過預處理的原料加入到有效容積為25mL的聚四氟乙烯高壓反應釜中，同時加入0.005mol的硝酸鐵(Fe(NO3)3·9H2O)固體，加入15mL去離子水，然后進行充分攪拌，使反應物充分混合，由于稻殼的密度小，很容易浮在溶液上面，因此稻殼在反應前應在清水中充分浸透，使其能充分分散在液相中，將裝好反應物的高壓反應釜再外加一鋼釜，將該鋼釜放入電熱鼓風干燥箱中，將反應溫度設置為180℃，控制適當?shù)姆磻獣r間：稻殼為碳源時8小時。(2)、共沉淀-電鍍法還原步驟1中得到的產物將步驟1中得到的產物進行抽濾，將得到的固體物質用去離子水清洗三次，接著將固體產物放入真空干燥箱中在80℃下干燥6小時。取出烘干后的固體產物1.5g加入到反應器中，并添加200mL的去離子水，超聲5分鐘，使固體顆粒充分分散在水中，在不斷攪拌的同時，將100mL0.6mol/L的硼氫化鈉(NaBH4)溶液逐滴加入反應器中，當?shù)渭油瓿珊?，停止攪拌并靜置1小時。(3)、鐵/碳復合材料的收集和表征待步驟2完成后，迅速將反應產物進行抽濾，并用去離子水對得到的固體清洗三遍，然后將清洗干凈的固體產物放入真空干燥箱中在60℃干燥8小時以上，即可得到所要的材料。實施例2所述的步驟同實施例1，只是用0.01mol葡萄糖作為碳源，且水熱法碳化有機物步驟(1)中，反應時間為12小時。從圖2可見，以稻殼為碳源合成的鐵/碳材料為黑亮色，基本保持稻殼的原始形貌；以葡萄糖為碳源合成的鐵/碳材料則呈黑色粉末狀。一、材料的掃描電鏡(SEM)和能譜(EDS)表征。取以葡萄糖為碳源合成的鐵/碳復合材料，在表征前對材料進行預處理。取少量的合成產物，將其輕輕地、均勻地灑在用于測試的導電膠之上，然后用氮氣氣流吹該導電膠的表面，將未和導電膠接觸的多余的材料吹走。經預處理后的材料表征結果如圖3所示。SEM圖顯示有一部分鐵以球形長在碳基底表面，有一部分鐵以球形長于碳基底內部，EDS圖表進一部證實了鐵和碳元素的存在。表1顯示以葡萄糖為碳源的鐵/碳復合材料的能譜分析結果。主要表現(xiàn)了其內含有的元素及所占的比例。表1元素Wt％At％C03.2107.98O03.5206.56S89.3183.01Ti03.9602.46二、亞鐵離子(Fe2+)溶出實驗。取利用不同碳源(葡萄糖或稻殼)合成得到的鐵/碳復合材料20mg，將其均勻分散于50mL的pH＝3、pH＝7、pH＝10的溶液中，溶液的pH值采用稀鹽酸或稀氫氧化鈉溶液來調節(jié)。分別在反應0分鐘、30分鐘、60分鐘和120分鐘后取樣。每次取樣1mL，然后測試溶液中亞鐵離子(Fe2+)的濃度。實驗結果如圖4所示。亞鐵離子的釋放量在30分鐘內很快，說明負載于碳基底表面的鐵大量溶于水體中變成亞鐵離子，30分鐘以后逐步減弱并趨于平緩，說明分布在碳基底內部的鐵逐漸溶出。該結果說明合成的鐵/碳復合材料在很寬的pH范圍內都能夠緩慢釋放亞鐵離子，從而能為后續(xù)的芬頓反應過程不斷提供亞鐵離子以保證污染物的高效穩(wěn)定降解。三、利用實施例1、2合成的鐵/碳復合材料去除水中的有機污染物往含有20mg/L磺胺二甲基嘧啶的水溶液中加入20mg合成的復合材料，并且加入20μL過氧化氫，構成芬頓反應體系。監(jiān)測反應器在不同pH條件下反應2h后的污染物去除情況。有機物去除效果如圖5所示?；前范谆奏さ娜コ蕿?0％-80％，說明合成的鐵/碳復合材料在很寬的pH范圍內都能應用于芬頓反應體系并取得較好的污染物降解效果，但在酸性條件下效果更好。另外，對比以不同碳源得到的鐵/碳復合材料可看出，以稻殼為碳源的鐵/碳復合材料普遍具有更高的去除效率。這說明利用稻殼等農業(yè)固體廢棄物作為碳源合成鐵/碳復合材料具有廣闊的發(fā)展應用前景以上所述具體實施例僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本
技術領域：
的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進或替換，這些改進或替換也應當視為本發(fā)明的保護范圍。當前第1頁1 2 3