含Ni磁性介孔碳的制備及其結構表征

陶金慧，王駿文，岳群峰

(哈爾濱師范大學)

0 引言

介孔碳是一種新穎的碳材料，由于其具有良好的化學穩(wěn)定性，機械穩(wěn)定性，可控的孔結構，可調的孔徑，大的比表面積等優(yōu)點，被廣泛應用于吸附［1-5］、催化［6-7］、燃料電池、儲能材料、生物醫(yī)藥［8］等方面．該研究致力于運用簡單、經(jīng)濟的合成方法制備性能優(yōu)越的介孔碳材料，在吸附、催化等方面發(fā)揮其優(yōu)勢與實用價值．

1 實驗部分

1．1 試劑與儀器

可溶性淀粉、硝酸鎳、葡萄糖、氨水、乙醇、蒸餾水．

X射線衍射儀、氮氣吸脫附分析儀、掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡、拉曼光譜儀、VSM震動樣品磁強計、紫外光譜儀．

1．2 實驗過程

1．2．1 含Ni磁性介孔碳NiO/C的合成

將0．1368 g可溶性淀粉溶解在400 mL蒸餾水中，繼續(xù)添加 40 mL 0．1 mol/L Ni(NO3)2·6H2O和40 mL 0．1 mol/L葡萄糖溶液并在室溫下不斷攪拌．隨后通過滴加氨水溶液調節(jié)溶液pH到10，將混合溶液持續(xù)攪拌3 h．離心分離后，將得到的膠體沉淀用蒸餾水洗三次，再用乙醇和蒸餾水的混合溶液洗三次，所得的混合物在60℃下烘干24 h，最后在馬弗爐中550℃煅燒2 h(升溫速率2℃/min)．即得含Ni磁性介孔碳材料，記為NiO/C．

1．2．2 水溶液中離子液體的吸附

25 mg NiO/C復合材料加入到含20 mL，濃度為1 g/L的1-甲基 -3-丁基咪唑氯鹽(［Bmim］Cl)離子液體溶液中，室溫下磁力攪拌，直到吸附平衡．吸附行為達到平衡之后，用紫外分光光度計，在波長為211 nm下測定水溶液中的離子液體的濃度．吸附劑的吸附能力的大小以吸附量Qe(mg/g)表示，計算公式如下:

公式中C0是溶液的初始濃度，Ce是溶液的平衡濃度，V是加入吸附離子液體的體積，m是加入吸附劑的質量．

2 結果與討論

2．1 樣品的結構表征

圖1為NiO/C復合材料的廣角XRD圖，圖中可以看出峰值在 2θ為 37．247°、43．274°、62．877°、75．414°、79．409°時出現(xiàn)特征衍射峰分別對應(111)、(200)、(220)、(311)、(222)衍射晶面，說明材料中Ni以NiO的形式存在(JCPDS-780429)．

圖1 NiO/C復合材料XRD圖

圖2為NiO/C復合材料的掃描電鏡圖．從圖中可以看出樣品呈均勻的球形結構，表面比較光滑．

圖2 NiO/C復合材料SEM圖

圖3 NiO/C復合材料透射電鏡照片

圖3為NiO/C材料在不同倍數(shù)下的TEM圖，可以看出其存在多孔道結構，并且Ni有一定程度的團聚．圖4為所合成碳材料的氮氣吸附脫附等溫曲線和孔徑分布曲線圖．從圖中可以看出所合成樣品表現(xiàn)為典型的Ⅳ型等溫吸附曲線．材料的比表面積為68．87 m2/g．同時根據(jù)BJH方法計算，相應孔徑尺寸為 12．21 nm，孔容為0．22 cm3/g．

圖4 NiO/C材料氮氣吸附等溫線和孔徑分布圖

圖5 NiO/C復合材料的拉曼圖

圖5為NiO/C復合材料的拉曼圖，顯示了D帶和G帶分布，給出了碳晶格的一些額外信息，證明了石墨層狀結構的存在．D帶和G帶分別出現(xiàn)在拉曼譜圖上的1360 cm-1和1558 cm-1處，分別歸結于缺陷/不合格和石墨層狀平面．G帶由于石墨層的C-C伸縮E2g模式產(chǎn)生的，因此也進一步為介孔碳球石墨性質提供了有力的證據(jù)．D帶和G帶的強度比值R(ID/IG)，可以說明樣品的晶體化或無定形化程度．R=0．995，說明合成的材料為部分石墨化的結構，材料存在晶體缺陷空位．

樣品的磁性性質通過振動樣品磁強計測試，如圖6．從圖中可以看出材料具有順磁性．樣品的飽和磁力強度值為7．75 emu/g．這種磁性材料，在外界磁場的作用下很容易從溶液中分離出來如圖7所示，因此在吸附反應中，易從溶液中分離，有利于吸附劑的回收利用．

圖6 NiO/C復合材料磁滯回線圖

圖7 NiO/C材料在外加磁場作用前后照片

2．2 離子液體的吸附性能

圖8為材料對［Bmim］Cl離子液體的吸附時間曲線．可以看出吸附曲線開始存在一個快速吸附的過程，表明這種材料對［Bmim］Cl離子液體有很大的親和力，然后曲線達到吸附平衡．平衡吸附量達 227．44 mg·g-1．

圖8 吸附速率曲線圖

3 結論

一步法制得含Ni磁性介孔碳材料NiO/C．NiO/C具有典型的介孔結構，并且在水中有很好的分散性．飽和磁化強度測試表明合成的NiO/C具有高的磁性能，可通過外加磁場簡單快速地進行分離．NiO/C用于水溶液中離子液體［Bmim］Cl的吸附，最大吸附量為227．44 mg·g-1．

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