本發(fā)明屬于納米材料合成技術(shù)領(lǐng)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(shù)。

背景技術(shù)：

納米碳包鐵顆粒具有特殊的核殼結(jié)構(gòu)，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(zhì)與納米鐵反應(yīng)，從而擴大了納米鐵的應(yīng)用范圍；另外，對碳表面進行各種活化處理，也可以使其負擔(dān)各種藥物、改善吸附性。因而，納米碳包鐵在電子領(lǐng)域、污水處理、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有很好的應(yīng)用潛力。

盡管納米碳包鐵具有十分優(yōu)越的性能以及廣闊的應(yīng)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(xué)與技術(shù)學(xué)報》.2008,28(5):454-457)、化學(xué)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(shè)備要求比較嚴格，并且它的能量損耗較大，很難工業(yè)化生產(chǎn)碳包鐵?；瘜W(xué)氣相沉積法經(jīng)過長時間的技術(shù)進步，合成的納米顆粒技術(shù)已經(jīng)非常成熟，但碳包覆鐵納米顆粒合成過程中需要高溫?zé)峤庥袡C和含碳氣體，依然會大量消耗能源，同時會有許多碳雜質(zhì)的出現(xiàn)。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(yè)化生產(chǎn)，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(zhì)，不適于生物醫(yī)藥這類高純物質(zhì)的合成。因此，發(fā)展高效、快速、高產(chǎn)率的合成納米碳包鐵保合成方法尤為重要。為此，本發(fā)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(nèi)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(xué)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(zhì)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(tài)，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(tài)(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(yè)上已經(jīng)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(yè)化制取羰基鐵粉的最基本方法，工業(yè)化基礎(chǔ)很強，所以利用五羰基鐵生產(chǎn)納米碳包鐵也會是一種很好的工業(yè)化合成方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)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(chǎn)量大并且純凈。

本發(fā)明的技術(shù)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(nèi)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(nèi)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(nèi)的固體產(chǎn)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(yīng)中為使所有氫反應(yīng)完畢，并產(chǎn)生盡量多的碳，氫、氧原子的摩爾比為15～25:10，優(yōu)選為2:1。

本發(fā)明的有益效果：

1)提供的氣相爆轟法制備納米碳包鐵反應(yīng)條件溫和、簡單易控。

2)通過提供高溫高壓的環(huán)境，可在極短時間內(nèi)大量合成納米碳包鐵。

3)所制備的產(chǎn)物純度較高，生產(chǎn)成本低廉，其結(jié)構(gòu)和性能優(yōu)越。

附圖說明

圖1為本發(fā)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(tǒng)；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(jié)合附圖和技術(shù)方案進一步說明本發(fā)明的具體實施方式。

本發(fā)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(tài)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(nèi)腔2注入已經(jīng)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(shù)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(chǎn)生電火花引爆爆轟管內(nèi)腔2中的混合氣體。爆轟完畢后，將氣閥4切換至排氣狀態(tài)，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(nèi)壁上的粉末產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(fā)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(chǎn)生的高溫高壓環(huán)境，熱解五羰基鐵fe(co)5，提供了合成納米碳包鐵的發(fā)明方法，這種合成手段新穎，高效，有望能夠用于大規(guī)模的實踐生產(chǎn)中。

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