碳球?yàn)槟０搴铣蒄e3O4材料

婁慧慧,婁天軍,喬梅英

(1.河南科技學(xué)院,河南新鄉(xiāng)453003;2.新鄉(xiāng)市功能有機(jī)分子重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河南新鄉(xiāng)453003)

碳球?yàn)槟０搴铣蒄e3O4材料

婁慧慧1,2,婁天軍1,2,喬梅英1,2

(1.河南科技學(xué)院,河南新鄉(xiāng)453003;2.新鄉(xiāng)市功能有機(jī)分子重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河南新鄉(xiāng)453003)

采用水熱法合成碳球,并以其為模板合成Fe3O4材料.通過XRD、SEM、TEM對合成材料進(jìn)行了表征,并討論反應(yīng)物質(zhì)量濃度改變對碳球形貌、大小的影響.研究表明：質(zhì)量濃度越大越易形成尺寸較大的碳球,并能有效的降低碳球之間的團(tuán)聚.

碳球;Fe3O4材料

納米材料憑借其獨(dú)特的特性引起廣大學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的重視,而碳納米材料由于制備簡單、原料廉價(jià)在電極材料、模板劑、催化劑等方面得到廣泛的應(yīng)用[1-3].Fe3O4材料具有獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì),在磁性材料、催化原料等方面顯示出許多特殊的功能,在生物技術(shù)、醫(yī)學(xué)方面、電化學(xué)領(lǐng)域亦有著很好的應(yīng)用前景[4-6].

本文通過簡單的水熱合成方法合成碳納米球,并以碳納米球?yàn)槟０搴铣蒄e3O4材料.水熱法簡單方便,并且制得的碳球表面含有豐富的官能團(tuán),在超級電容器、傳感器、催化等方面具有極大的應(yīng)用價(jià)值.

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)藥品及測試儀器

試驗(yàn)藥品:葡萄糖,九水硝酸鐵(Fe(NO3)3·9H2O)等,試驗(yàn)中用試劑均為分析純.

測試儀器:X線衍射儀(XRD)測試樣品晶型與結(jié)晶度;1530VP場發(fā)射掃描電鏡(SEM)觀察C球的形貌;透射電鏡(TEM)觀察樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu).

1.2 材料合成

1.2.1 碳球的合成 碳球的制備根據(jù)參考文獻(xiàn)[7],典型的合成步驟為:稱取葡萄糖7 g并溶解于45 mL去離子水中,磁力攪拌30 min形成均勻透明溶液,將溶液轉(zhuǎn)移到50 mL不銹鋼反應(yīng)釜中,烘箱170℃下恒溫12 h,反應(yīng)結(jié)束后,將混合物離心洗滌,80℃下干燥12 h,研磨保存?zhèn)溆?記為C-1.改變葡萄糖的用量(8 g)及反應(yīng)物的質(zhì)量濃度制得的碳材料記為C-2.

1.2.2 以碳球?yàn)槟０搴铣蒄e3O4材料 稱取合成的碳球0.4 g溶解在20 mL 3 mol/L Fe(NO3)3·9H2O溶液中,超聲溶解20 min,然后室溫陳化6 h,過濾洗滌,80℃下干燥12 h.最后將樣品以2℃/min升溫速率在500℃下灼燒4 h,冷卻后研磨即得到Fe3O4樣品.

2 結(jié)果與分析

2.1 材料XRD表征

圖1給出了樣品的X線衍射(XRD)圖譜,圖1-a給處理合成碳球的XRD圖譜,可以看出樣品C-1和C-2峰位置一樣,但是強(qiáng)度略有差別,表明樣品C-2結(jié)晶度相對好些.兩個(gè)樣品在衍射角為20.74°時(shí)有一個(gè)明顯的衍射峰,該峰對應(yīng)于碳球的 (002)晶面,說明合成的碳材料為石墨型.參照標(biāo)準(zhǔn)PDF卡片(JCPDS No.75-1621),合成的碳球的衍射峰位置向左移動(dòng),表明合成的石墨碳含有無定型碳[8],并且峰型不尖銳,也說明了合成的碳材料結(jié)晶度不好,晶型不純.圖1-b為以碳為模板合成的Fe3O4樣品(JCPDS No. 26-1136),衍射角在31.15°、36.93°、65.02°出現(xiàn)強(qiáng)峰,這三個(gè)峰分別對應(yīng)于Fe3O4的(220)、(311)、(440)晶面,說明合成的Fe3O4樣品純度較高.圖中可以看出,峰型較尖銳,稍微有點(diǎn)雜峰,表明材料的結(jié)晶度不是很高.

圖1 碳球和Fe3O4樣品的X線衍射(XRD)圖譜Fig.1 X-ray patterns of carbon sphere and Fe3O4samples

2.2 材料的SEM與TEM表征

圖2為合成碳材料的SEM圖譜,圖2-a、2-b分別為樣品C-1和C-2圖譜.從圖中明顯可以看出合成的兩個(gè)碳材料都為微米級球形.并且碳球大小較均勻,但是碳球與碳球之間聚合較嚴(yán)重,出現(xiàn)堆積現(xiàn)象.可能是因?yàn)樘记蛑睆捷^小,碳球的比表面積減小,其表面能增加,碳球開始發(fā)生融合形成“鏈狀”.對比圖2-b與圖2-a,可以看出,反應(yīng)物濃度大制備的碳球相對更大,并且大的球形能夠減少碳球之間的聚合.圖2-c和2-d分別為樣品C-1和C-2局部SEM圖譜,樣品C-1球大小為3.5 μm左右,樣品C-2球大小約為4.5 μm.該結(jié)果表明葡萄糖水溶液的濃度越高,越有利于芳構(gòu)化聚合過程,得到的碳球的直徑越大,水熱碳化產(chǎn)量越高,該現(xiàn)象也符合了一些學(xué)者提出的碳球生長機(jī)理[9-10].

圖3是Fe3O4樣品的SEM圖譜.從圖中明顯看出以碳微米球?yàn)槟０搴铣傻腇e3O4樣品沒有繼承碳的球形,而是形成了沒有固定形貌的塊狀,并且大小不均一.可能原因是碳模板在移除的過程中,球形結(jié)構(gòu)坍塌;并且“鏈狀”的碳球不利于形成單個(gè)分散均勻的Fe3O4樣品.

圖4給出了碳球的TEM圖譜,a圖、b圖分別為樣品C-1和C-2的圖譜.從圖中可以看出樣品C-1和C-2球形大小均一,但都出現(xiàn)不同程度的聚合,該結(jié)果和SEM得到的結(jié)果吻合.

圖2 碳球的SEM圖譜Fig.2 SEM images of carbon sphere samples

圖3 Fe3O4樣品的SEM圖譜Fig.3 SEM images of Fe3O4samples

圖4 碳球的TEM圖譜Fig.4 TEM images of carbon sphere samples

3 小結(jié)

采用簡單水熱法,通過改變反應(yīng)物的質(zhì)量濃度來制備不同尺寸的碳球,并以碳球?yàn)槟０?通過煅燒移除模板劑得到純度較高的Fe3O4材料;并通過XRD并結(jié)合SEM、TEM表征說明合成的碳材料為石墨碳并有少量的無定形碳生成,為下一步制備純度更高的、分散度更好的碳材料提供了實(shí)踐基礎(chǔ).同時(shí),研究發(fā)現(xiàn)反應(yīng)物質(zhì)量濃度越高越能得到尺寸較大的碳球,并且大的尺寸能夠減少碳球之間的團(tuán)聚.

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（責(zé)任編輯：盧奇）

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

婁慧慧(1986-),女,河南原陽人,碩士,助理實(shí)驗(yàn)師.主要從事功能材料的制備及其性能研究.

婁天軍(1966-),男,河南原陽人,教授.主要從事功能材料的制備及其性能研究.