本發(fā)明涉及碳納米材料制備，特別涉及一種利用高爐粉塵制備封裝鐵的碳納米管的熔鹽電解法及應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、隨著科技的發(fā)展，人們生活水平的提高，電子設(shè)備、軍工設(shè)備等無論在民事和軍事的應(yīng)用中，都起著至關(guān)重要的作用。隨之而來的電磁污染，對人的身體健康及軍工信號的探測會產(chǎn)生影響。針對這一現(xiàn)象，人們通過深入的研發(fā)吸收電磁波的材料，有效地解決了電磁波干擾和對人體健康的危害問題。吸波材料是指能吸收投射到它表面的電磁波能量，并通過材料的損耗作用將電磁能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿囊活惒牧?。從損耗機(jī)理上分類，吸波材料可分為介電損耗和磁損耗兩大類。碳材料是依靠介電損耗機(jī)制損耗電磁波的一類材料，其中碳納米管（cnts）由于其重量輕、強(qiáng)度大、介電性能可調(diào)的特點(diǎn)一直以來都備受研究者的青睞。

2、雖然碳納米管有較高的介電常數(shù)，并且可以通過一些手段對其進(jìn)行調(diào)節(jié)，但其較低的磁導(dǎo)率往往會因與介電常數(shù)差異過大導(dǎo)致阻抗失配，使得微波吸收能力受限，無法實(shí)現(xiàn)在較寬的微波頻率范圍內(nèi)進(jìn)行有效吸收。理想微波吸收材料應(yīng)具有更寬的吸收帶寬、更低的匹配厚度、更強(qiáng)的吸收和更輕的重量。因此，科研工作者進(jìn)而將目光轉(zhuǎn)向復(fù)合材料，將碳材料與傳統(tǒng)的磁性材料進(jìn)行結(jié)合，綜合利用碳材料的輕質(zhì)，高的導(dǎo)電損耗和磁性材料的阻抗匹配以及良好的磁損耗等優(yōu)點(diǎn)。研究表明復(fù)合材料在碳材料與磁性材料結(jié)合的材料之間的協(xié)同作用以及互補(bǔ)效應(yīng)下，能夠有優(yōu)異的吸波性能。因此，許多研究將重點(diǎn)放在了利用碳納米管制備新型復(fù)合材料上，其中“磁化的碳納米管”的研究備受關(guān)注，所謂的磁化碳納米管是指用磁性顆粒填充或修飾碳納米管。這樣的復(fù)合材料可依靠磁性-介電損耗協(xié)同效應(yīng)，提升材料的阻抗匹配能力，增加對微波的損耗能力。然而，傳統(tǒng)的化學(xué)氣相沉積的方法制備磁化碳納米管用因碳源及金屬催化劑成本高而受限。

3、為了克服這些問題，有一些方法，如cn110359068a使用熔鹽電解質(zhì)電解磁性金屬氧化物，成功制備了碳納米管包覆磁性金屬材料。然而，此方法制備的材料存在磁性金屬單質(zhì)包覆不均勻的問題，這將對材料的吸波性能產(chǎn)生不利影響。有必要對熔鹽電解法做出相應(yīng)的改進(jìn)，以制備包覆效果好、吸波性能強(qiáng)的封裝磁性金屬單質(zhì)的碳納米管。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明將高爐煙氣綜合利用，將收集得到的鐵源加入至熔鹽體系中，通入co2下進(jìn)行電解以模擬高爐煙氣氛圍，通過熔鹽電解法制備得到管徑均勻、徑向長度長、鐵單質(zhì)均勻、石墨化程度高、微波吸收性能優(yōu)越的封裝鐵的碳納米管。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種利用高爐粉塵制備封裝鐵的碳納米管的熔鹽電解法，包括，

3、將鐵源加入熔鹽中，并將鐵源熔融；

4、鐵源完全熔融后，在通入co2以模擬高爐煙氣氛圍的條件下持續(xù)電解，待電解結(jié)束后，收集得到封裝鐵的碳納米管；

5、其中，所述鐵源通過高爐粉塵收集處理得到。

6、優(yōu)選地，熔鹽通過相應(yīng)的鹽在惰性氣體氛圍下升溫熔融得到。

7、具體地，在電解結(jié)束后，收集陰極電極上的沉積產(chǎn)物后除雜得到封裝鐵的碳納米管，除雜包括酸洗，所述酸洗采用的酸液無需嚴(yán)格限定，示例性地選自鹽酸、硫酸、醋酸中的至少一種的混合水溶液，同時酸液的濃度也無需嚴(yán)格限定，符合需求進(jìn)行配制即可。

8、高爐粉塵是煉鐵工業(yè)中高爐煤氣除塵產(chǎn)生的粉末和顆粒物，高爐粉塵的元素組成與生鐵礦石的化學(xué)成分、裝入高爐的燃料和工藝條件密切相關(guān)。但總的來說，高爐粉塵中鐵和碳是最主要的元素。其中，鐵元素主要以氧化鐵的形式存在，例如feo、fe2o3和fe3o4；還可能包括少量的fes、fes2、fe2s3。具體地，通過高爐粉塵分離純化可以得到feo、fe2o3、fe3o4、fes、fes2、fe2s3可以將這些物質(zhì)中的至少一種作為鐵源。即本發(fā)明的鐵源包括feo、fe2o3、fe3o4、fes、fes2、fe2s3中的至少一種。

9、本發(fā)明的設(shè)計(jì)構(gòu)思在于，co2在高溫下可以被熔鹽中的o2-離子快速捕獲生成co32-離子，加上熔鹽的低熔點(diǎn)、寬液程、寬電化學(xué)窗口，co32-和鐵源在外加超電勢的高溫下能夠輕松克服能壘在陰極被還原為碳和鐵單質(zhì)，在減少碳排放的同時，可實(shí)現(xiàn)co2與金屬氧化物共電解，實(shí)現(xiàn)鐵的封裝，得到封裝鐵的碳納米管。

10、進(jìn)一步地，所述鐵源占熔鹽質(zhì)量的0.2%-2%。

11、進(jìn)一步地，所述熔鹽包括堿金屬的氯鹽、堿土金屬的氯鹽、堿金屬的碳酸鹽、堿土金屬的碳酸鹽的熔融鹽中的至少一種。

12、為了避免堿金屬的氯鹽、堿土金屬的氯鹽在高電位電解過程中可能產(chǎn)生有毒的氯氣。

13、進(jìn)一步地，所述熔鹽為堿金屬的碳酸鹽和堿土金屬的碳酸鹽，其中，堿土金屬的碳酸鹽占全部碳酸鹽質(zhì)量的5%-10%。

14、優(yōu)選地，堿金屬的碳酸鹽選為na2co3和k2co3，且na2co3和k2co3的摩爾比為0.5-2：1；堿土金屬的碳酸鹽為caco3、mgco3、srco3、baco3中的至少一種。

15、進(jìn)一步地，所述co2的通入流量為50-300ml/min。

16、進(jìn)一步地，所述電解在電壓2.0-3.0v、溫度700-950℃下持續(xù)0.5-6h。

17、在本發(fā)明中，電解使用的陽極由能夠穩(wěn)定于碳酸鹽中的惰性陽極材料制成，可以將吸收的二氧化碳轉(zhuǎn)化為氧氣，并在陽極析出氧氣，示例性地，陽極使用的材料可以為ni10cu11fe合金、sno2，以及石墨、無定型碳、生物質(zhì)熱解獲得的碳、碳納米管、石墨烯、石墨氧化物或還原氧化石墨烯類的碳素材料。電解使用的陰極的材料為不銹鋼、ni、mo、w、fe、cu、碳紙中至少一種。

18、在將鐵源加入熔鹽中之前還包括對熔鹽進(jìn)行預(yù)電解；

19、所述預(yù)電解在2.0-3.0v下持續(xù)1-3h。其中，預(yù)電解與電解使用的電極材料相同或不同，優(yōu)選地，在預(yù)電解完成以及鐵源完全熔融后，還將陰極電極進(jìn)行更換，例如，預(yù)電解使用ni片電極，電解可以使用新的ni片電極或碳紙電極等。

20、本發(fā)明還提供了一種封裝鐵的碳納米管，采用上述的利用高爐粉塵制備封裝鐵的碳納米管的熔鹽電解法制備得到。

21、本發(fā)明也提供了上述的封裝鐵的碳納米管作為微波吸收材料的應(yīng)用。

22、相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下的有益效果：

23、本發(fā)明將高爐煙氣綜合利用，將收集得到的鐵源加入至熔鹽體系中，在通入co2以模擬高爐煙氣氛圍條件下持續(xù)電解，電解結(jié)束后得到管徑均勻、徑向長度長、鐵單質(zhì)均勻、石墨化程度高、微波吸收性能優(yōu)越的封裝鐵的碳納米管。

技術(shù)特征：

1.一種利用高爐粉塵制備封裝鐵的碳納米管的熔鹽電解法，其特征在于，包括，

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用高爐粉塵制備封裝鐵的碳納米管的熔鹽電解法，其特征在于，所述鐵源占熔鹽質(zhì)量的0.2%-2%；

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用高爐粉塵制備封裝鐵的碳納米管的熔鹽電解法，其特征在于，所述熔鹽包括堿金屬的氯鹽、堿土金屬的氯鹽、堿金屬的碳酸鹽、堿土金屬的碳酸鹽的熔融鹽中的至少一種。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述利用高爐粉塵制備封裝鐵的碳納米管的熔鹽電解法，其特征在于，所述熔鹽為堿金屬的碳酸鹽和堿土金屬的碳酸鹽，其中，堿土金屬的碳酸鹽占全部碳酸鹽質(zhì)量的5%-10%。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用高爐粉塵制備封裝鐵的碳納米管的熔鹽電解法，其特征在于，所述co2的通入流量為50-300ml/min。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用高爐粉塵制備封裝鐵的碳納米管的熔鹽電解法，其特征在于，所述電解在電壓2.0-3.0v、溫度700-950℃下持續(xù)0.5-6h。

7.根據(jù)權(quán)利要求1-6所述的利用高爐粉塵制備封裝鐵的碳納米管的熔鹽電解法，其特征在于，在將鐵源加入熔鹽中之前還包括對熔鹽進(jìn)行預(yù)電解；

8.一種封裝鐵的碳納米管，其特征在于，采用權(quán)利要求1-7任一項(xiàng)所述的利用高爐粉塵制備封裝鐵的碳納米管的熔鹽電解法制備得到。

9.一種權(quán)利要求8所述的封裝鐵的碳納米管作為微波吸收材料的應(yīng)用。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種利用高爐粉塵制備封裝鐵的碳納米管的熔鹽電解法及應(yīng)用，所述電解法包括將鐵源加入熔鹽中，待鐵源完全熔融后，在通入CO<subgt;2</subgt;以模擬高爐煙氣氛圍的條件下持續(xù)電解，待電解結(jié)束后，收集得到封裝鐵的碳納米管；其中，所述鐵源通過高爐粉塵收集處理得到。本發(fā)明將高爐煙氣綜合利用，將收集得到的鐵源加入至熔鹽體系中，通入CO<subgt;2</subgt;下進(jìn)行電解以模擬高爐煙氣氛圍，通過熔鹽電解法制備得到管徑均勻、徑向長度長、鐵單質(zhì)均勻、石墨化程度高、微波吸收性能優(yōu)越的封裝鐵的碳納米管。

技術(shù)研發(fā)人員：肖巍,許王悅,王宏偉,曹錦
受保護(hù)的技術(shù)使用者：武漢大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/9