碳球为模板合成Fe3O4材料

娄慧慧,娄天军,乔梅英

(1.河南科技学院,河南新乡453003;2.新乡市功能有机分子重点实验室,河南新乡453003)

碳球为模板合成Fe3O4材料

娄慧慧1,2,娄天军1,2,乔梅英1,2

(1.河南科技学院,河南新乡453003;2.新乡市功能有机分子重点实验室,河南新乡453003)

采用水热法合成碳球,并以其为模板合成Fe3O4材料.通过XRD、SEM、TEM对合成材料进行了表征,并讨论反应物质量浓度改变对碳球形貌、大小的影响.研究表明：质量浓度越大越易形成尺寸较大的碳球,并能有效的降低碳球之间的团聚.

碳球;Fe3O4材料

纳米材料凭借其独特的特性引起广大学术界和工业界的重视,而碳纳米材料由于制备简单、原料廉价在电极材料、模板剂、催化剂等方面得到广泛的应用[1-3].Fe3O4材料具有独特的物理化学性质,在磁性材料、催化原料等方面显示出许多特殊的功能,在生物技术、医学方面、电化学领域亦有着很好的应用前景[4-6].

本文通过简单的水热合成方法合成碳纳米球,并以碳纳米球为模板合成Fe3O4材料.水热法简单方便,并且制得的碳球表面含有丰富的官能团,在超级电容器、传感器、催化等方面具有极大的应用价值.

1 试验部分

1.1 试验药品及测试仪器

试验药品:葡萄糖,九水硝酸铁(Fe(NO3)3·9H2O)等,试验中用试剂均为分析纯.

测试仪器:X线衍射仪(XRD)测试样品晶型与结晶度;1530VP场发射扫描电镜(SEM)观察C球的形貌;透射电镜(TEM)观察样品内部结构.

1.2 材料合成

1.2.1 碳球的合成 碳球的制备根据参考文献[7],典型的合成步骤为:称取葡萄糖7 g并溶解于45 mL去离子水中,磁力搅拌30 min形成均匀透明溶液,将溶液转移到50 mL不锈钢反应釜中,烘箱170℃下恒温12 h,反应结束后,将混合物离心洗涤,80℃下干燥12 h,研磨保存备用,记为C-1.改变葡萄糖的用量(8 g)及反应物的质量浓度制得的碳材料记为C-2.

1.2.2 以碳球为模板合成Fe3O4材料 称取合成的碳球0.4 g溶解在20 mL 3 mol/L Fe(NO3)3·9H2O溶液中,超声溶解20 min,然后室温陈化6 h,过滤洗涤,80℃下干燥12 h.最后将样品以2℃/min升温速率在500℃下灼烧4 h,冷却后研磨即得到Fe3O4样品.

2 结果与分析

2.1 材料XRD表征

图1给出了样品的X线衍射(XRD)图谱,图1-a给处理合成碳球的XRD图谱,可以看出样品C-1和C-2峰位置一样,但是强度略有差别,表明样品C-2结晶度相对好些.两个样品在衍射角为20.74°时有一个明显的衍射峰,该峰对应于碳球的 (002)晶面,说明合成的碳材料为石墨型.参照标准PDF卡片(JCPDS No.75-1621),合成的碳球的衍射峰位置向左移动,表明合成的石墨碳含有无定型碳[8],并且峰型不尖锐,也说明了合成的碳材料结晶度不好,晶型不纯.图1-b为以碳为模板合成的Fe3O4样品(JCPDS No. 26-1136),衍射角在31.15°、36.93°、65.02°出现强峰,这三个峰分别对应于Fe3O4的(220)、(311)、(440)晶面,说明合成的Fe3O4样品纯度较高.图中可以看出,峰型较尖锐,稍微有点杂峰,表明材料的结晶度不是很高.

图1 碳球和Fe3O4样品的X线衍射(XRD)图谱Fig.1 X-ray patterns of carbon sphere and Fe3O4samples

2.2 材料的SEM与TEM表征

图2为合成碳材料的SEM图谱,图2-a、2-b分别为样品C-1和C-2图谱.从图中明显可以看出合成的两个碳材料都为微米级球形.并且碳球大小较均匀,但是碳球与碳球之间聚合较严重,出现堆积现象.可能是因为碳球直径较小,碳球的比表面积减小,其表面能增加,碳球开始发生融合形成“链状”.对比图2-b与图2-a,可以看出,反应物浓度大制备的碳球相对更大,并且大的球形能够减少碳球之间的聚合.图2-c和2-d分别为样品C-1和C-2局部SEM图谱,样品C-1球大小为3.5 μm左右,样品C-2球大小约为4.5 μm.该结果表明葡萄糖水溶液的浓度越高,越有利于芳构化聚合过程,得到的碳球的直径越大,水热碳化产量越高,该现象也符合了一些学者提出的碳球生长机理[9-10].

图3是Fe3O4样品的SEM图谱.从图中明显看出以碳微米球为模板合成的Fe3O4样品没有继承碳的球形,而是形成了没有固定形貌的块状,并且大小不均一.可能原因是碳模板在移除的过程中,球形结构坍塌;并且“链状”的碳球不利于形成单个分散均匀的Fe3O4样品.

图4给出了碳球的TEM图谱,a图、b图分别为样品C-1和C-2的图谱.从图中可以看出样品C-1和C-2球形大小均一,但都出现不同程度的聚合,该结果和SEM得到的结果吻合.

图2 碳球的SEM图谱Fig.2 SEM images of carbon sphere samples

图3 Fe3O4样品的SEM图谱Fig.3 SEM images of Fe3O4samples

图4 碳球的TEM图谱Fig.4 TEM images of carbon sphere samples

3 小结

采用简单水热法,通过改变反应物的质量浓度来制备不同尺寸的碳球,并以碳球为模板,通过煅烧移除模板剂得到纯度较高的Fe3O4材料;并通过XRD并结合SEM、TEM表征说明合成的碳材料为石墨碳并有少量的无定形碳生成,为下一步制备纯度更高的、分散度更好的碳材料提供了实践基础.同时,研究发现反应物质量浓度越高越能得到尺寸较大的碳球,并且大的尺寸能够减少碳球之间的团聚.

[1]ZHANGB,LIUC,LIUY.Anovelone-stepapproachtosynthesizefluorescentcarbonnanoparticles[J].Eur.J.Inorg.Chem.,2010,28: 4411-4414.

[2]Sevilla M,Fuertes A B.Chemical and strutural properties of carbonaceous products obtained by hydrothermal carbonization ofsaccharides[J].Chem.Eur.J.,2009,15:4195-4203.

[3]范莉莉,王荣,孟建新.葡萄糖辅助水热法制备碳球CaTiO3[J].电子元件与材料,2010,29(5):35-37.

[4]ZOU G F,XIONG K,JIANG C L,et al.Magnetic Fe3O4nanodisc synthesis on a large scale via a surfactant-assisted process[J]. Nanotechnology,2005,16:1584-1588.

[5]胡大伟,王燕民.合成四氧化三铁纳米粒子形貌的调控机理和方法[J].硅酸盐学报,2008,36(10):1488-1493.

[6]DU X,WANG C Y,CHEN MM,et al.Electrochemical performances of nanoparticle Fe3O4/activated carbon supercapacitor using KOH electrolyte solution[J].J Phys.Chem.,2009,113(6):2643-2646.

[7]LAI X Y,LI J,Korgel B A,et al.Generalsynthesis and gas-sensing properties ofmultiple-shell metal oxide hollow microspheres[J]. Angew.Chem.,2011,123:2790-2793.

[8]DUC,PANN.Highpowerdensitysupercapacitorelectrodesofcarbonnanotubefilmsbyelectrophoreticdeposition[J].Nanotechnology, 2005,21(17):5314-5318.

[9]Gerard C A,Luijkxa,Fred V,et al.The role of deoxyhexonic acids in the hydrothermal decarboxylation of carbohydrates[J]. Carbohydrate Research,1995,272(2):191-202.

[10]Schuhmacher J P,Huntjens F J,Van Krevelen D W.Chemical structure and properties of coal[J].Fuel,1960,39:223-234.

（责任编辑：卢奇）

Synthesis Fe3O4material by carbon spheres as the template

LOU Huihui1,2,LOU Tianjun1,2,QIAO Meiying1,2
(1.Henan Institute of Science and Technology,Xinxiang 453003,China;2.Xinxiang Municipal Key Laboratory of Functional Organic Molecular,Xinxiang 453003,China)

Carbon sphere was the template to synthesis Fe3O4,which was prepared with the hydro-thermal method. The properties of the materials were characterized by XRD,SEM and TEM,and the impact of changes in reactant concentrations for size and morphology of carbon spheres was discussed.It is more easy to form larger size with higher the concentration and the agglomeration between carbon spheres can effectively reduce.

carbon sphere;Fe3O4material

O613.71

：A

：1008-7516（2015）05-0076-03

10.3969/j.issn.1008-7516.2015.05.016

2015-06-19

娄慧慧(1986-),女,河南原阳人,硕士,助理实验师.主要从事功能材料的制备及其性能研究.

娄天军(1966-),男,河南原阳人,教授.主要从事功能材料的制备及其性能研究.