專利名稱：從農(nóng)業(yè)廢棄物制備SiC/氮化鐵納米復(fù)合材料及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及化合物的制備方法，尤其涉及一種從農(nóng)業(yè)廢棄物制備SiC/氮化鐵納米復(fù)合材料及其方法。
背景技術(shù)：
農(nóng)業(yè)廢棄物是指在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)產(chǎn)品加工等過程中產(chǎn)生的廢棄物的總稱，主要包括果殼果核、秸稈、稻殼、玉米芯、樹枝落葉和雜草等。由于農(nóng)業(yè)廢棄物具有數(shù)量巨大、可再生、再生周期短、可生物降解、富含碳硅元素、利用水平低等特點(diǎn)。農(nóng)業(yè)廢棄物的無害化和資源化利用是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)之一。碳化硅(SiC)是一種重要的無機(jī)材料，其具有高強(qiáng)度、高模量、耐高溫、耐腐蝕、抗氧化、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，目前被廣泛地用作耐磨材料、耐高溫材料、吸波材料等。尤其在吸波材料領(lǐng)域中，由于碳化硅的電阻率可調(diào)，其即可在高電阻率條件下作為透波層，又可在低電阻率條件下作為損耗層，是一種應(yīng)用很廣的電損耗型吸收劑。此外，碳化硅的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，硬度很大，具有優(yōu)異的導(dǎo)熱和導(dǎo)電、耐火、耐熱和耐腐蝕性能，在有色金屬冶煉工業(yè)、 鋼鐵行業(yè)、冶金選礦行業(yè)、建材陶瓷等節(jié)能工業(yè)領(lǐng)域都具有重要的用途。由于一般的碳化硅合成方法中溫度很高，對設(shè)備的要求較高，并增大了能源損耗，從而增加了碳化硅的生產(chǎn)成本。利用農(nóng)業(yè)廢棄物中富含的Si和C元素，通過加入金屬還原劑可以大幅降低碳化硅的合成溫度，并充分利用了農(nóng)業(yè)廢棄物，具有成本低廉、資源可持續(xù)利用等優(yōu)點(diǎn)。氮化鐵是一種氮鐵化合物，分子式可表述為 ^χΝ，主要由鐵或鐵氧化物與氨氣反應(yīng)制得。氮化鐵是一種新型的磁性材料，磁性能和化學(xué)穩(wěn)定性均優(yōu)于鐵粉，是潛在的高性能磁性材料和吸波材料。從農(nóng)業(yè)廢棄物制備多孔輕質(zhì)的SiC/氮化鐵納米復(fù)合材料，這種材料具有納米多孔結(jié)構(gòu)、較高的比表面積以及較高的電磁損耗性能，在難降解廢水處理、吸波材料等領(lǐng)域具有潛在的用途。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種從農(nóng)業(yè)廢棄物制備SiC/氮化鐵納米復(fù)合材料及其方法。從農(nóng)業(yè)廢棄物制備SiC/氮化鐵納米復(fù)合材料是一種納米復(fù)合材料，包括核心層和包覆層，其中核心層為SiC粉體，包覆層為氮化鐵納米微粒，氮化鐵的結(jié)構(gòu)通式為!^exN (χ=2, 3，4 或 8)。從農(nóng)業(yè)廢棄物制備SiC/氮化鐵納米復(fù)合材料方法的步驟如下
1)將100g農(nóng)業(yè)廢棄物充分粉碎，放入400 1200 °C爐中隔絕空氣或在惰性氣體的保護(hù)下煅燒0. 5 8 h，或在1 5 L強(qiáng)酸或強(qiáng)堿溶液中浸泡1 M h，得到主要成分為SW2 和C的硅碳粉；
2)將硅碳粉與2 10g金屬還原劑粉末充分混合，放入爐中，隔絕空氣或在惰性氣體的保護(hù)下500 800 °C煅燒0.5 12 h ；或?qū)⒐杼挤鄯湃霠t中，在隔絕空氣或在惰性氣體的保護(hù)下1300 1800 0C煅燒1 M h ；
3)將步驟2)的產(chǎn)物加入到0.05 2 M的鹽酸溶液中，浸泡0. 5 4 h，離心分離，水洗，固相烘干后，得到多孔碳化硅粉末；
4)將5g多孔SiC粉末置于20 100 mL 0. 05 1. 0 mol/L的硝酸鐵溶液中，60 150 °C烘干后置于爐中，450 750 °C煅燒0.5 2 h后導(dǎo)入氮?dú)?氫氣還原15 60 min ； 結(jié)束后保持爐溫，迅速切入氨氣處理10 60 min ；在氮?dú)饬髦凶匀焕鋮s后取出，即得SiC/ 氮化鐵納米復(fù)合材料。所述的農(nóng)業(yè)廢棄物是指在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)產(chǎn)品加工過程中形成的果殼果核、秸稈、稻殼、玉米芯、枯枝落葉或雜草，其主要成分為含硅有機(jī)物。所述的從農(nóng)業(yè)廢棄物制備SiC/氮化鐵納米復(fù)合材料及其方法，其特征在于所述的惰性氣體為高純氮?dú)?、二氧化碳或氬氣。所述的?qiáng)酸溶液為質(zhì)量濃度為25 98%的濃硫酸或質(zhì)量濃度為20 68%的濃硝酸溶液中的一種或兩種。所述的從農(nóng)業(yè)廢棄物制備SiC/氮化鐵納米復(fù)合材料及其方法，其特征在于所述的強(qiáng)堿溶液為摩爾濃度為0. 5 2 M的NaOH或KOH溶液中的一種或兩種。所述的金屬還原劑為單質(zhì)鎂粉或鋁粉中的一種或兩種。本發(fā)明提出的從農(nóng)業(yè)廢棄物制備SiC/氮化鐵納米復(fù)合材料的方法充分利用了我們目前富余的且開發(fā)利用水平較低的農(nóng)業(yè)廢棄物為原材料，價(jià)格低廉，制備工藝流程非常簡單，設(shè)備投資成本低。所得材料具有納米多孔結(jié)構(gòu)、較高的比表面積以及較高的電磁損耗性能，在難降解廢水處理、吸波材料等領(lǐng)域具有潛在的用途。本發(fā)明提出的從農(nóng)業(yè)廢棄物中制備SiC/氮化鐵納米復(fù)合材料的方法，成本低廉，工藝簡單，材料結(jié)構(gòu)新穎，潛在用途廣泛，具有很強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。
具體實(shí)施例方式從農(nóng)業(yè)廢棄物制備SiC/氮化鐵納米復(fù)合材料方法的步驟如下
1)將農(nóng)業(yè)廢棄物分解成為以SiO2和碳為主要成分的硅碳粉。分解的方法主要包括高溫?zé)峤夥ɑ蛩釅A處理法等。高溫?zé)峤夥閷⑥r(nóng)業(yè)廢棄物放入400 1200 °C爐中隔絕空氣或在惰性氣體的保護(hù)下煅燒0. 5 8 h，由于惰性氣體或隔絕空氣的保護(hù)作用，農(nóng)業(yè)廢棄物中的有機(jī)物將碳化，而SiO2得到保留。而酸堿處理法為將農(nóng)業(yè)廢棄物放入1 5 L強(qiáng)酸或強(qiáng)堿溶液中浸泡1 M h，由于強(qiáng)酸或強(qiáng)堿的腐蝕作用，農(nóng)業(yè)廢棄物中的有機(jī)物將碳化，從而也得到主要成分為S^2和C的硅碳粉?；脤⒐杼挤叟c金屬還原劑粉末如金屬鎂粉或金屬鋁粉等充分混合?；旌衔镌诟艚^空氣或惰性氣體的保護(hù)下加熱到500 800 0C,反應(yīng)0. 5 12 h，金屬還原劑將使SW2被還原為Si而與C反應(yīng)生成碳化硅，同時(shí)金屬還原劑被氧化為金屬氧化物。具體的反應(yīng)方程式如下
SiO2 + C + 2Mg — SiC + 2Mg0 3Si02 + 3C + 4A1 — 3SiC + 2A1203
或直接將硅碳粉在隔絕空氣或在惰性氣體的保護(hù)下1300 1800 °C煅燒1 M h，在更高溫度的需求下，SiO2被C還原為碳化硅，反應(yīng)方程式如下 SiO2 + 3C — SiC+2C0
隨后將反應(yīng)產(chǎn)物在0. 05 2 M的稀酸溶液中浸泡0. 5 4 h，金屬氧化物被酸溶成為金屬鹽溶液，金屬氧化物被酸溶后留下的空洞使得固相產(chǎn)物呈多孔分布。固相產(chǎn)物經(jīng)過濾烘干后即得到多孔碳化硅粉末。最后是將多孔碳化硅粉末置于一定濃度的硝酸鐵溶液中。由于多孔SiC粉末具有較高的比表面積以及較強(qiáng)的吸附性能，硝酸鐵將被吸附到碳化硅表面。隨后將產(chǎn)物烘干后置于馬弗爐中，升溫至一定溫度將硝酸鐵分解為氧化鐵后，導(dǎo)入氮?dú)?氫氣的混合氣體，將氧化鐵還原為單質(zhì)鐵；隨后迅速切換氣氛為氨氣，將單質(zhì)鐵氨化為氮化鐵。冷卻后取出，即得SiC/氮化鐵納米復(fù)合材料。反應(yīng)的總體方程式如下
4Fe (NO3) 3 — 2Fe203 + 12N02 個(gè) + 302 個(gè) Fe2O3 + 3H2 — 2Fe + 3H20 2xFe + 2NH3 — 2FexN + 3H2 下面結(jié)合實(shí)施例進(jìn)一步說明本發(fā)明。實(shí)施例1:以稻殼為原料
1)將100g稻殼充分粉碎，放入400 °C爐中隔絕空氣煅燒8 h，得到主要成分為SW2 和C的硅碳粉；
2)將所得硅碳粉與10g金屬鎂粉充分混合，放入爐中，在高純氮?dú)獾谋Ｗo(hù)下500 °(煅燒 12 h ；
3)將步驟2)的產(chǎn)物加入到0.05 M的鹽酸溶液中，浸泡4 h ；產(chǎn)物經(jīng)離心分離，水洗，固相烘干后，得到多孔碳化硅粉末；
4)將5g多孔SiC粉末置于20 mL 1.0 mol/L的硝酸鐵溶液中，60 °C烘干后置于馬弗爐中，450 °C煅燒2 h后導(dǎo)入氮?dú)?氫氣還原60 min;結(jié)束后保持爐溫，迅速切入氨氣處理60 min ；在氮?dú)饬髦凶匀焕鋮s后取出，即得SiC/氮化鐵納米復(fù)合材料。實(shí)施例2:以稻稈為原料
1)將100g稻稈充分粉碎，放入1200 °(爐中在高純氮?dú)獾谋Ｗo(hù)下煅燒0.5 h，得到主要成分為SiA和C的硅碳粉；
2)將所得硅碳粉與2g金屬鋁粉充分混合，放入爐中，隔絕空氣800 °C煅燒0.5 h；
3)將步驟2)的產(chǎn)物加入到2M的鹽酸溶液中，浸泡0. 5 h ；產(chǎn)物經(jīng)離心分離，水洗，固相烘干后，得到多孔碳化硅粉末；
4)將5g多孔SiC粉末置于100 mL 0. 05 mol/L的硝酸鐵溶液中，150 °C烘干后置于馬弗爐中，750 °C煅燒0.5 h后導(dǎo)入氮?dú)?氫氣還原15 min;結(jié)束后保持爐溫，迅速切入氨氣處理10 min ；在氮?dú)饬髦凶匀焕鋮s后取出，即得SiC/氮化鐵納米復(fù)合材料。實(shí)施例3:以麥麩為原料
1)將100g麥麩充分粉碎，在1 L 25%的濃硫酸中浸泡M h，得到主要成分為SiO2和 C的硅碳粉；
2)將所得硅碳粉與5g金屬鎂粉充分混合，放入爐中，在高純氮?dú)獾谋Ｗo(hù)下700 °(煅燒3 h ；
3)將步驟2)的產(chǎn)物加入到0.2 M的鹽酸溶液中，浸泡2 h ；產(chǎn)物經(jīng)離心分離，水洗，固相烘干后，得到多孔碳化硅粉末；
4)將5g多孔SiC粉末置于30 mL 0.1 mol/L的硝酸鐵溶液中，70 °C烘干后置于馬弗爐中，550 °C煅燒0.6 h后導(dǎo)入氮?dú)?氫氣還原25 min;結(jié)束后保持爐溫，迅速切入氨氣處理20 min ；在氮?dú)饬髦凶匀焕鋮s后取出，即得SiC/氮化鐵納米復(fù)合材料。實(shí)施例4:以玉米秸稈為原料
1)將100g玉米秸稈充分粉碎，在5 L 68%的濃硝酸中浸泡1 h，得到主要成分為SiA 和C的硅碳粉；
2)將所得硅碳粉與7g金屬鋁粉充分混合，放入爐中，隔絕空氣600 °C煅燒8 h；
3)將步驟2)的產(chǎn)物加入到0.5 M的鹽酸溶液中，浸泡1 h ；產(chǎn)物經(jīng)離心分離，水洗，固相烘干后，得到多孔碳化硅粉末；
4)將5g多孔SiC粉末置于40 mL 0.2 mol/L的硝酸鐵溶液中，80 °C烘干后置于馬弗爐中，650 °C煅燒0.7 h后導(dǎo)入氮?dú)?氫氣還原35 min;結(jié)束后保持爐溫，迅速切入氨氣處理30 min ；在氮?dú)饬髦凶匀焕鋮s后取出，即得SiC/氮化鐵納米復(fù)合材料。實(shí)施例5:以玉米芯為原料
1)將100g玉米芯充分粉碎，在5 L 0.5 M的NaOH溶液中浸泡M h，得到主要成分為 SiO2和C的硅碳粉；
2)將硅碳粉隔絕空氣1300°C煅燒M h ；
3)將步驟2)的產(chǎn)物加入到1M的鹽酸溶液中，浸泡2 h ；產(chǎn)物經(jīng)離心分離，水洗，固相烘干后，得到多孔碳化硅粉末；
4)將5g多孔SiC粉末置于50 mL 0.3 mol/L的硝酸鐵溶液中，90 °C烘干后置于馬弗爐中，500 °C煅燒0.8 h后導(dǎo)入氮?dú)?氫氣還原45 min;結(jié)束后保持爐溫，迅速切入氨氣處理40 min ；在氮?dú)饬髦凶匀焕鋮s后取出，即得SiC/氮化鐵納米復(fù)合材料。實(shí)施例6:以麥稈為原料
1)將100g麥稈充分粉碎，在1 L 2 M的KOH溶液中浸泡1 h，得到主要成分為SiO2和 C的硅碳粉；
2)將硅碳粉在高純氮?dú)獾谋Ｗo(hù)下1800°C煅燒1 h ；
3)將步驟2)的產(chǎn)物加入到1.5 M的鹽酸溶液中，浸泡0. 6 h ；產(chǎn)物經(jīng)離心分離，水洗， 固相烘干后，得到多孔碳化硅粉末；
4)將5g多孔SiC粉末置于60 mL 0. 4 mol/L的硝酸鐵溶液中，100 0C烘干后置于馬弗爐中，600 °C煅燒1.0 h后導(dǎo)入氮?dú)?氫氣還原55 min;結(jié)束后保持爐溫，迅速切入氨氣處理50 min ；在氮?dú)饬髦凶匀焕鋮s后取出，即得SiC/氮化鐵納米復(fù)合材料。實(shí)施例7:以果殼為原料
1)將100g果殼充分粉碎，在5 L 25%的濃硫酸溶液中浸泡18 h，得到主要成分為SW2 和C的硅碳粉；
2)將硅碳粉在氬氣的保護(hù)下1500°C煅燒12 h ；
3)將步驟2)的產(chǎn)物加入到0.25 M的鹽酸溶液中，浸泡4 h ；產(chǎn)物經(jīng)離心分離，水洗，固相烘干后，得到多孔碳化硅粉末；
4)將5g多孔SiC粉末置于70 mL 0. 5 mol/L的硝酸鐵溶液中，110 0C烘干后置于馬弗爐中，700 °C煅燒1.2 h后導(dǎo)入氮?dú)?氫氣還原20 min;結(jié)束后保持爐溫，迅速切入氨氣處理25 min ；在氮?dú)饬髦凶匀焕鋮s后取出，即得SiC/氮化鐵納米復(fù)合材料。實(shí)施例8 以雜草為原料
1)將100 g雜草充分粉碎，在1 L 68%的濃硝酸中浸泡2 h，得到主要成分為SiO2和C的硅碳粉；
2)將硅碳粉在二氧化碳的保護(hù)下1700°C煅燒3 h ；
3)將步驟2)的產(chǎn)物加入到0.7 M的鹽酸溶液中，浸泡2. 5 h ；產(chǎn)物經(jīng)離心分離，水洗， 固相烘干后，得到多孔碳化硅粉末；
4)將5g多孔SiC粉末置于80 mL 0. 6 mol/L的硝酸鐵溶液中，120 0C烘干后置于馬弗爐中，750 °C煅燒1.5 h后導(dǎo)入氮?dú)?氫氣還原30 min;結(jié)束后保持爐溫，迅速切入氨氣處理35 min ；在氮?dú)饬髦凶匀焕鋮s后取出，即得SiC/氮化鐵納米復(fù)合材料。 實(shí)施例9 以落葉為原料
1)將100g落葉充分粉碎，在1 L 2 M的NaOH溶液中浸泡12 h，得到主要成分為SW2 和C的硅碳粉；
2)將所得硅碳粉與3g金屬鎂粉充分混合，放入爐中，在高純氮?dú)獾谋Ｗo(hù)下550 °(煅燒9 h ；
3)將步驟2)的產(chǎn)物加入到1.2 M的鹽酸溶液中，浸泡3. 5 h ；產(chǎn)物經(jīng)離心分離，水洗， 固相烘干后，得到多孔碳化硅粉末；
4)將5g多孔SiC粉末置于90 mL 0. 8 mol/L的硝酸鐵溶液中，130 0C烘干后置于馬弗爐中，500 °C煅燒1.8 h后導(dǎo)入氮?dú)?氫氣還原40 min;結(jié)束后保持爐溫，迅速切入氨氣處理45 min ；在氮?dú)饬髦凶匀焕鋮s后取出，即得SiC/氮化鐵納米復(fù)合材料。
權(quán)利要求
1.從農(nóng)業(yè)廢棄物制備SiC/氮化鐵納米復(fù)合材料，其特征在于它是一種納米復(fù)合材料， 包括核心層和包覆層，其中核心層為SiC粉體，包覆層為氮化鐵納米微粒，氮化鐵的結(jié)構(gòu)通式為 FexN (x=2, 3，4 或 8)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種從農(nóng)業(yè)廢棄物制備的SiC/磁性金屬納米輕質(zhì)復(fù)合材料， 其特征在于所述的農(nóng)業(yè)廢棄物是指在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)產(chǎn)品加工過程中形成的果殼果核、秸稈、 稻殼、玉米芯、枯枝落葉或雜草，其主要成分為含硅有機(jī)物。
3.—種如權(quán)利要求1所述從農(nóng)業(yè)廢棄物制備SiC/氮化鐵納米復(fù)合材料的方法，其特征在于它的步驟如下1)將100g農(nóng)業(yè)廢棄物充分粉碎，放入400 1200 °C爐中隔絕空氣或在惰性氣體的保護(hù)下煅燒0. 5 8 h，或在1 5 L強(qiáng)酸或強(qiáng)堿溶液中浸泡1 M h，得到主要成分為SW2 和C的硅碳粉；2)將硅碳粉與2 10g金屬還原劑粉末充分混合，放入爐中，隔絕空氣或在惰性氣體的保護(hù)下500 800 °C煅燒0.5 12 h ；或?qū)⒐杼挤鄯湃霠t中，在隔絕空氣或在惰性氣體的保護(hù)下1300 1800 0C煅燒1 M h ；3)將步驟2)的產(chǎn)物加入到0.05 2 M的鹽酸溶液中，浸泡0. 5 4 h，離心分離，水洗，固相烘干后，得到多孔碳化硅粉末；4)將5g多孔SiC粉末置于20 100 mL 0. 05 1. 0 mol/L的硝酸鐵溶液中，60 150 °C烘干后置于爐中，450 750 °C煅燒0.5 2 h后導(dǎo)入氮?dú)?氫氣還原15 60 min ； 結(jié)束后保持爐溫，迅速切入氨氣處理10 60 min ；在氮?dú)饬髦凶匀焕鋮s后取出，即得SiC/ 氮化鐵納米復(fù)合材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的從農(nóng)業(yè)廢棄物制備SiC/氮化鐵納米復(fù)合材料的方法，其特征在于所述的惰性氣體為高純氮?dú)?、二氧化碳或氬氣?br> 5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的從農(nóng)業(yè)廢棄物制備SiC/氮化鐵納米復(fù)合材料的制備方法，其特征在于所述的強(qiáng)酸溶液為質(zhì)量濃度為25 98%的濃硫酸或質(zhì)量濃度為20 68%的濃硝酸溶液中的一種或兩種。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的從農(nóng)業(yè)廢棄物制備SiC/氮化鐵納米復(fù)合材料的方法，其特征在于所述的強(qiáng)堿溶液為摩爾濃度為0. 5 2 M的NaOH或KOH溶液中的一種或兩種。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的從農(nóng)業(yè)廢棄物制備SiC/氮化鐵納米復(fù)合材料的方法，其特征在于所述的金屬還原劑為單質(zhì)鎂粉或鋁粉中的一種或兩種。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種從農(nóng)業(yè)廢棄物制備SiC/氮化鐵納米復(fù)合材料及其方法，包括核心層和包覆層，其中核心層為SiC粉體，包覆層為氮化鐵納米微粒。通過幾個(gè)簡單的步驟首先將農(nóng)業(yè)廢棄物通過熱解或酸堿處理成為以SiO2和碳為主要成分的硅碳粉；隨后將硅碳粉通過金屬熱或高溫反應(yīng)得到SiC；最后通過氮化反應(yīng)在產(chǎn)物上包覆一層氮化鐵納米微粒，得到SiC/氮化鐵納米復(fù)合材料。這種材料具有納米多孔結(jié)構(gòu)、較高的比表面積以及較高的電磁損耗性能，在難降解廢水處理、吸波材料等領(lǐng)域具有潛在的用途。本發(fā)明提出的從農(nóng)業(yè)廢棄物中制備SiC/氮化鐵納米復(fù)合材料的方法，成本低廉，工藝簡單，材料結(jié)構(gòu)新穎，潛在用途廣泛，具有很強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。
文檔編號B82Y40/00GK102275922SQ20111015219
公開日2011年12月14日 申請日期2011年6月8日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月8日
發(fā)明者劉舒婷, 葉瑛, 張奧博, 張海燕, 戴凌青, 朱旭恒, 邵蘇東, 陳雪剛 申請人:浙江大學(xué)