铁碳纳米复合材料的制备和性能研究

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1、铁/碳纳米复合材料的制备和性能研究摘要纳米尺度的金属粒子，因其高活性以及优越的物理化学性能，在材料研究领域正引起广泛关注。但由于其高活性，在空气中以及酸性溶液中很容易被氧化，破坏了本身所固有的特性，从而限制了他们的进一步应用。纳米铁/碳复合材料是一种新型的功能型复合材料，能够有效克服金属粒子易氧化的难题。这种材料有望在电子，电波屏蔽，化学反应催化剂，药物释放等领域获得广泛应用。针对目前研究中工艺复杂，能耗大，产量低等缺点，本课题首次采用羰基铁催化热分解乙炔气体气相合成纳米铁/碳复合材料。以此复合材料为前驱体进行后继热处理工艺得到不同尺度的碳包铁材料。用

2、TEM，XRD，HRTEM，BET，VSM等现代分析手段对材料的结构、性能进行深入分析，并对纳米铁/碳复合材料的生长机理进行初步探讨。羰基铁在700°C催化裂解乙炔气相合成得到非晶的铁碳固溶体。可以将铁/碳固溶体为前驱体进行后续的热处理。研究表明，后续的热处理可以有效地改变固溶体的结晶程度和纳米铁粒子的尺寸。在低温热处理（<700°C）时，铁粒子（d<10nm）均匀分布在碳基体中，呈超顺磁性特征。高温热处理（≥800°C）可以得到粒径在30nm左右的单分散碳包铁体系，磁性特征为铁磁性。这是一种尺寸可控的磁性粒子的制备方法。V通过调节热处理温度，可以制备

3、出所需要的磁性材料。热处理的铁/碳纳米复合材料在除去其中的铁后可以获得石墨化程度不一的多孔碳材料。该多孔碳材料既具有一定石墨化程度又具有高比表面积。以此多孔石墨材料为载体负载催化剂铂颗粒在质子交换膜燃料电池循环伏安曲线模拟测试中表现出优良的催化活性。该多孔石墨材料有望在催化剂载体，分子吸附获得广泛的应用。关键词：超顺磁性，多孔石墨，固溶体，热处理，碳包铁，碳纳米笼VIPreparationandApplicationofFe/CNanocompositeABSTRACTCarbonencapsulatedironnanoparticles(CEINs)

4、havereceivedconsiderableattentionbecauseoftheiruniquecore/shellmicrostructureandphysicalandchemicalpropertiesaswellastheirpotentialapplicationsinmanyhigh-techfields,suchasinformationstorage,catalysis,biomedicalengineering,energysources,etc.CEINshavebeensuccessfullysynthesizedbya

5、two-stepmethodinthisstudy.Aniron/carbonnanocompositewaspreparedbychemicalvaporcondensation(CVC)andthensuchcompositewasheat-treatedtogiverisetoCEINs.Theas-obtainediron/carbonnanocompositeandCEINshavebeencharacterizedbytransmissionelectronmicroscope(TEM),X-raydiffraction(XRD),andv

6、ibratingsamplemagnetometer(VSM).Theresultsrevealthatmonodisperingironandironcarbidenanoparticleswithsizesof30nmareuniformlywrappedbygraphiticlayersattheheat-treatmenttemperatureof800°C.Withthetemperatureincreasingto1000°C,ironnanoparticleshavealargesizedistributionwithalotofholl

7、owcarbonnanocagesappearinginthefinalsample.TheVSMtestsshowthattheiron/carboncompositeisparamagneticandtheCEINsas-obtainedatlowVIItemperaturearesuperparamagneticwhilethoseasobtainedathightemperaturearepermanentmagnetic.800°Ccanbethoughttobeacriticalheat-treatmenttemperature.There

8、fore,magneticnanoparticleswithdifferentproperti