含Ni磁性介孔碳的制備及其結(jié)構(gòu)表征

陶金慧，王駿文，岳群峰

(哈爾濱師范大學(xué))

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(xué)穩(wěn)定性，機(jī)械穩(wěn)定性，可控的孔結(jié)構(gòu)，可調(diào)的孔徑，大的比表面積等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)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(yùn)用簡單、經(jīng)濟(jì)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(shí)用價(jià)值．

1 實(shí)驗(yàn)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?dú)馕摳椒治鰞x、掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡、拉曼光譜儀、VSM震動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)、紫外光譜儀．

1．2 實(shí)驗(yàn)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(diào)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(fù)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(dá)到平衡之后，用紫外分光光度計(jì)，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(jì)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(zhì)量．

2 結(jié)果與討論

2．1 樣品的結(jié)構(gòu)表征

圖1為NiO/C復(fù)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(shí)出現(xiàn)特征衍射峰分別對應(yīng)(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(fù)合材料XRD圖

圖2為NiO/C復(fù)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(jié)構(gòu)，表面比較光滑．

圖2 NiO/C復(fù)合材料SEM圖

圖3 NiO/C復(fù)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(jié)構(gòu)，并且Ni有一定程度的團(tuán)聚．圖4為所合成碳材料的氮?dú)馕矫摳降葴厍€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(shí)根據(jù)BJH方法計(jì)算，相應(yīng)孔徑尺寸為 12．21 nm，孔容為0．22 cm3/g．

圖4 NiO/C材料氮?dú)馕降葴鼐€和孔徑分布圖

圖5 NiO/C復(fù)合材料的拉曼圖

圖5為NiO/C復(fù)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(jié)構(gòu)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(jié)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(jìn)一步為介孔碳球石墨性質(zhì)提供了有力的證據(jù)．D帶和G帶的強(qiáng)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(jié)構(gòu)，材料存在晶體缺陷空位．

樣品的磁性性質(zhì)通過振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)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(qiáng)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(yīng)中，易從溶液中分離，有利于吸附劑的回收利用．

圖6 NiO/C復(fù)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(shí)間曲線．可以看出吸附曲線開始存在一個(gè)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(dá)到吸附平衡．平衡吸附量達(dá) 227．44 mg·g-1．

圖8 吸附速率曲線圖

3 結(jié)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(jié)構(gòu)，并且在水中有很好的分散性．飽和磁化強(qiáng)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(jìn)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．

［1］ Dong Y，Lin H M，Qu F Y．Synthesis of ferromagnetic ordered mesoporous carb ons for bulky dye molecules adsorption．Chemical Engineering Journal，2012，4(24):169-177．

［2］ Wang T B，Liang L，Wang R W，et al．Magnetic mesoporous carbon for efficient removal of organic pollutants．Adsorption，2012，18(5):439-444．

［3］ Li J T，Li B L，Wang H C，et al．A wormhole-structured mesoporous carbon with superior adsorption for dyes．Carbon，2011，49(6):1912-1918．

［4］ Lee H I，Jung Y J，Kim S，et al．Preparation and application of chelatingpolymer-mesoporous carbon composite for copper-ionadsorption．Carbon，2009，47(4):1043-1049．

［5］ Zhuang X，Wan Y，F(xiàn)eng C M，et al．Highly Efficient Adsorption of Bulky Dye Molecules in Wastewater on Ordered Mesoporous Carbons．Chem Mater，2009，21:706-716．

［6］ Yuan D S，Yuan X L，Zou W J，et al．Synthesis of graphitic mesoporous carbon from sucrose as a catalyst support for ethanol electro-oxidation．J Mater Chem，2012，22(34):17820-17826．

［7］ Long D H，Chen Q J，Qiao W M，et al．Three-dimensional mesoporous carbon aerogels:ideal catalyst supports for enhanced H2S oxidation．Chem Commun，2009，26:3898-3900．

［8］ Wang T Y，Zou M J，Jiang H T，et al．Synthesis of a novel kind of carbon nanoparticle with large mesopores and macropores and its application as an oral vaccine adjuvant．European Journal of Pharmaceutical Sciences，2011，44(5):653-659．