刺蝟狀碳納米球及其製備方法和應用的製作方法
2023-06-20 01:00:26
刺蝟狀碳納米球及其製備方法和應用的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種刺蝟狀碳納米球及其製備方法和應用。該刺蝟狀碳納米球包括碳納米顆粒和生長在所述碳納米顆粒表面的若干碳刺，所述碳納米顆粒和碳刺使得所述碳納米球呈刺蝟狀。該碳納米球製備方法包括對空反應抽真空並通入保護性氣體、的步驟。該碳納米球由於在碳納米顆粒表面生長有若干碳刺而呈刺蝟狀，從而使得該碳納米球具有豐富的表面以及較大的比表面積，而且其顆粒尺寸均勻。其製備方法工藝簡單，條件易控，生產效率高。
【專利說明】刺蝟狀碳納米球及其製備方法和應用
【技術領域】
[0001]本發明屬於碳材料【技術領域】，具體涉及一種刺蝟狀碳納米球及其製備方法和應用。
【背景技術】
[0002]目前碳材料從零維C6tl、一維碳納米管、二維石墨烯到三維石墨都有很多相關的研究。其中碳微粒由於機械特性、耐藥品性、耐熱性、耐摩耗性、導電性優異而被廣泛用於例如耐熱填料、複合材料的強化劑、填充劑、吸附劑、汽車部件、電機部件、產業機械等的用途。
[0003]當前，為了對該碳微粒賦予功能性如為了提高比表面積而在內部具有空孔的多孔質碳微粒等己受到人們關注。具體地，作為在內部具有空孔的多孔質碳微粒的代表的活性碳，利用其細孔而在吸著劑、分子篩碳材、水處理劑、空氣淨化劑、催化劑和電容器電極等廣泛領域已被工業化。活性碳，通過將作為原料的碳微粒利用水蒸氣等氣體進行激活處理、和利用氫氧化鉀等藥品進行激活處理，就可獲得，但要控制其細孔徑則會有困難。由於活性碳的功能根據其細孔徑的大小、和容量(比表面積)而不同，形成任意的孔徑的技術是重要的。進而，粒子形狀、粒徑和窄粒徑分布的控制等對活性碳的質量提高方面也受到重視。
[0004]作為其現有一方法，是公開了將以苯乙烯等會熱分解的聚合物作為芯，而以聚丙烯腈等的碳前體聚合物作為殼的芯殼微粒進行燒成，從而獲得中空碳微粒的方法。通過此方法得到的中空碳微粒，中空結構的直徑較大，為碳微粒的直徑的20%以上，所以不具有足夠的比表面積，又由於是使用乳化聚合體系製造的，所以存在使粒徑的控制範圍限制在
0.5 μ m以下的課題。
[0005]另外，也公開了一·種將富勒烯等中空結構的碳材料與碳前體通過熔融混煉進行分散，然後進行粉碎處理，且經由燒成、激活處理而獲得活性碳的方法。該方法由於實施粉碎處理，所以活性碳的形狀不規則，存在粒徑分布寬的問題。
[0006]因此，無論採用現有哪種方法進行製備碳微粒，所製備的碳微粒表面積有限，且粒徑無法得到有效控制，從而影響了該碳微粒的應用。另外，通過檢索，尚未發現對刺蝟狀碳納米球的研究報導。
【發明內容】
[0007]本發明實施例的目的在於克服現有技術的上述不足，提供一種表面豐富、球體大小均勻的刺蝟狀碳納米球及其製備方法。
[0008]本發明實施例的另一目的在於提供該刺蝟狀碳納米球的應用。
[0009]為了實現上述發明目的，本發明的技術方案如下:
[0010]一種刺蝟狀碳納米球的製備方法，包括如下步驟:
[0011]對反應室抽真空，然後向真空反應室中通入保護性氣體；
[0012]保持保護性氣體的通入，將反應室加熱至550~800°C，然後向反應室中通入含金屬元素的有機碳源進行碳化反應10~120min，待碳化反應完畢後，停止通入保護性氣體和含金屬元素的有機碳源，冷卻，得到所述刺蝟狀碳納米球。
[0013]以及，一種刺蝟狀碳納米球，所述刺蝟狀碳納米球由上述刺蝟狀碳納米球的製備方法製備而成，其包括碳納米顆粒和生長在所述碳納米顆粒表面的若干碳刺。
[0014]以及，上述刺蝟狀碳納米球在吸著劑、分子篩碳材、水處理劑、空氣淨化劑、催化劑和汙水處理領域中的應用。
[0015]上述刺蝟狀碳納米球製備方法利用金屬元素的有機碳源為原料進行碳化製備，避免了另外添加碳化催化劑的步驟，有效簡化了其工藝，降低其生產成本，而且條件易控，合格率高。利用該方法製備的刺蝟狀碳納米球在碳納米顆粒表面生長有豐富的碳刺，賦予了該刺蝟狀碳納米球較大的比較面積，而且利用該方法製備的刺蝟狀碳納米球尺寸均勻。正是由於製備的刺蝟狀碳納米球具有較大的比較面積和均勻的尺寸，有效擴大了其應用範圍。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016]下面將結合附圖及實施例對本發明作進一步說明，附圖中:
[0017]圖1為本發明實施例1製備刺蝟狀碳納米球的SEM圖；
[0018]圖2為本發明實施例刺蝟狀碳納米球的製備方法流程圖。
【具體實施方式】
[0019]為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。
[0020]本發明實施例提供工藝簡單、生產效率高的刺蝟狀碳納米球的製備方法，包括如下步驟:
[0021]步驟S01.對空反應抽真空並通入保護性氣體:
[0022]對反應室抽真空，然後向真空反應室中通入保護性氣體；
[0023]步驟S02.向反應室中通入含金屬元素的有機碳源進行碳化反應:
[0024]保持保護性氣體的通入，將反應室加熱至550~800°C，然後向反應室中通入含金屬元素的有機碳源進行碳化反應10~120min，待碳化反應完畢後，停止通入保護性氣體和含金屬元素的有機碳源，冷卻，得到所述刺蝟狀碳納米球。
[0025]具體地，上述步驟SOl中，對反應室抽真空後，優選使得其室內的真空度為0.001~lPa。該真空度可以採用機械泵、羅茨泵及分子泵逐級實現該反應室的真空度。將反應室的真空度調節至0.001~IPa後,優選保持I~30min,再關閉真空泵(如機械泵、羅茨泵及分子泵等)，然後開始向反應室內通入保護性氣體。其中，該保護性氣體優選從反應室底部通入，保護性氣體的流速可以為200sCCm，當然還可以將保護性氣體的流速設定為其他流速，本發明實施例對其流速沒有特別限制，只要能將保證室外空氣不進入即可。作為優選實施例，待保護性氣體通入量使得反應室內的氣壓達到Iatm後，保持保護性氣體的通入，打開排氣孔，進一步排除反應室內的空氣，以保證反應室中無雜質對刺蝟狀碳納米球生成產生幹擾，利於碳納米球的生長。
[0026]該步驟SOl中保護性氣體優選為氮氣、氬氣中的至少一種。當然，如果條件允許，該保護性氣體還可以採用本領域常用的其他保護性氣體。該保護性氣體的通入，使得其在碳化反應時起稀釋碳源的作用，並控制碳納米球粒徑。
[0027]上述步驟S02中，含金屬元素的有機碳源在550~800°C溫度下發生裂解，在裂解過程中，有機碳源中的金屬元素被裂解成金屬顆粒，起到碳化催化劑的作用生成金屬顆粒，同時被碳化碳顆粒以該金屬顆粒為生長中心而生成碳納米微粒以及在碳納米微粒表面生長的碳刺，從而生成呈刺蝟狀的碳納米球。其中，該含金屬元素的有機碳源優選為二茂鐵、二茂鈷、二茂鎳、二茂釕中的至少一種。為了控制刺蝟狀碳納米球的尺寸和碳刺的生長，該含金屬元素的有機碳源的通入量優選控制在0.1~5g/min。
[0028]作為優選實施例，在該步驟S02中，該含金屬元素的有機碳源通反應室頂部加入，保護性氣體從反應室底部加入，並通過調節保護性氣體的流速，使得碳化反應生成的金屬顆粒保持懸浮。這樣，能提高金屬顆粒與新通入的有機碳源接觸的機率，從而提高碳化反應的速率，以達到提高刺蝟狀碳納米球的生產效率。
[0029]因此，上述刺蝟狀碳納米球製備方法利用金屬元素的有機碳源為原料進行碳化製備，避免了另外添加碳化催化劑的步驟，有效簡化了其工藝，提高了生產效率，降低其生產成本，而且條件易控，合格率高。另外，通過對溫度、反應物的通入速率的工藝條件下控制，實現對刺蝟狀碳納米球表面的碳刺控制，使得該刺蝟狀碳納米球表面豐富，比較面積到，尺寸大小均勻。
[0030]相應地，本發明實例提供一種表面豐富、球體大小均勻的刺蝟狀碳納米球，其結構如圖1所示。該刺蝟狀碳納米球包括碳納米顆粒和生長在所述碳納米顆粒表面的若干碳刺，該碳納米顆粒和碳刺使得該碳納米球呈刺蝟狀。
[0031]其中，刺蝟狀碳納米球的碳納米顆粒粒徑優選為100~500nm,更優選100~300nm。刺蝟狀碳納米球的碳刺根部直徑優選為20~50nm，長度優選為50~800nm，呈彎曲樹枝狀。該碳納米顆粒優選的粒徑和碳刺使得該刺蝟狀碳納米球具有合適的尺寸。該優選的碳刺使得該刺蝟狀碳納米球具有豐富的表面和較大的表面積。
·[0032]因此，上述刺蝟狀碳納米球由於在碳納米顆粒表面生長有若干碳刺而呈刺蝟狀，從而使得該刺蝟狀碳納米球具有豐富的表面以及較大的比表面積，而且其顆粒尺寸均勻。正是由於該刺蝟狀碳納米球具有較大的比表面積和均勻顆粒尺寸，從而擴大了其應用範圍。
[0033]本發明進一步的提供了上述刺蝟狀碳納米球的應用領域。由於該刺蝟狀碳納米球具有上述的豐富的表面以及較大的比表面積和顆粒尺寸均勻的優異特性，該刺蝟狀碳納米球可以應用於吸著劑、分子篩碳材、水處理劑、空氣淨化劑、催化劑和汙水處理等領域中的。具體地，刺蝟狀碳納米球作為吸附淨化劑添加至廢水中對汙水的淨化處理。
[0034]以下通過多個實施例來舉例說明上述刺蝟狀碳納米球及其製備方法，以及其性能等方面。
[0035]實施例1
[0036]一種刺蝟狀碳納米球及其製備方法，該刺蝟狀碳納米球的製備方法包括如下步驟:
[0037](I)密封反應室，採用機械泵，羅茨泵及分子泵逐級將反應室抽至IPa，並保持30分鐘後，關閉分子泵，羅茨泵及機械泵，然後開始從反應室底部通入保護氣體氮氣，流量為200sccm,直到氣壓回升到Iatm後,打開排氣孔,開始加熱；
[0038](2)當反應室溫度達到750°C時，保持溫度不變，從反應室頂端通入二茂鐵2g/min,此時再次根據二茂鐵的流量調節保護氣體氮氣流量，通過觀察鏡觀察，使含碳物質分解的金屬顆粒保持懸浮；
[0039](3)待反應120分鐘後，停止通入保護氣氮氣、二茂鐵，停止加熱，並冷卻至室溫，得到刺蝟狀碳納米球。
[0040]將本實施例製備的刺蝟狀碳納米球進行SEM分析，分析結果如圖1所示。由圖1可知，該刺蝟狀碳納米球包括碳納米顆粒和生長在碳納米顆粒表面豐富的碳刺，該碳納米顆粒和碳刺使得碳納米球呈刺蝟狀。經測得刺蝟狀碳納米球直徑約為400~lOOOnm。
[0041]實施例2
[0042]一種刺蝟狀碳納米球及其製備方法，該刺蝟狀碳納米球的製備方法包括如下步驟:
[0043](I)密封反應室，採用機械泵，羅茨泵及分子泵逐級將反應室抽至0.0OlPa，並保持I分鐘後，關閉分子泵，羅茨泵及機械泵，然後開始從反應室底部通入保護氣體氬氣，流量為200sccm,直到氣壓回升到Iatm後,打開排氣孔,開始加熱；
[0044](2)當反應室溫度達到800°C時，保持溫度不變，從反應室頂端通入二茂釕0.1g/min,此時再次根據二茂釕的流量調節保護氣體氬氣流量，通過觀察鏡觀察，使含碳物質分解的金屬顆粒保持懸浮；
[0045](3)待反應10分鐘後，停止通入保護氣氬氣、二茂釕，停止加熱，並冷卻至室溫，得到直徑約為1200~2000nm刺蝟狀碳納米球。
[0046]實施例3
[0047]一種刺蝟狀碳納米球及其製備方法，該刺蝟狀碳納米球的製備方法包括如下步驟:
[0048](1)密封反應室，採用機械泵，羅茨泵及分子泵逐級將反應室抽至0.1Pa，並保持5分鐘後，關閉分子泵，羅茨泵及機械泵，然後開始從反應室底部通入保護氣體氬氣，流量為200sccm,直到氣壓回升到Iatm後,打開排氣孔,開始加熱；
[0049](2)當反應室溫度達到550°C時，保持溫度不變，從反應室頂端通入二茂鈷5g/min,此時再次根據二茂鈷的流量調節保護氣體氬氣流量，通過觀察鏡觀察，使含碳物質分解的金屬顆粒保持懸浮；
[0050](3)待反應10分鐘後，停止通入保護氣氬氣、二茂鈷，停止加熱，並冷卻至室溫，得到直徑約為500~1500nm刺蝟狀碳納米球。
[0051]以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包括在本發明的保護範圍之內。
【權利要求】
1.一種刺蝟狀碳納米球的製備方法，包括如下步驟: 對反應室抽真空，然後向真空反應室中通入保護性氣體； 保持保護性氣體的通入，將反應室加熱至550~800°C，然後向反應室中通入含金屬元素的有機碳源進行碳化反應10~120min，待碳化反應完畢後，停止通入保護性氣體和含金屬元素的有機碳源，冷卻，得到所述刺蝟狀碳納米球。
2.如權利要求1所述的刺蝟狀碳納米球的製備方法，其特徵在於:在所述碳化反應的步驟中，所述含金屬元素的有機碳源的通入速率為0.1~5g/min。
3.如權利要求1或2所述的刺蝟狀碳納米球的製備方法，其特徵在於:在所述碳化反應的步驟中，所述含金屬元素的有機碳源為二茂鐵、二茂鈷、二茂鎳、二茂釕中的至少一種。
4.如權利要求1或2所述的刺蝟狀碳納米球的製備方法，其特徵在於:在所述碳化反應的步驟中，所述含金屬元素的有機碳源是從反應室的頂部通入；所述保護性氣體從反應室底部通入。
5.如權利要求1或2所述的刺蝟狀碳納米球的製備方法，其特徵在於:在所述碳化反應的步驟中，通入含金屬元素的有機碳源後，調節保護性氣體的流量，使得碳化反應生成的金屬顆粒保持懸浮。
6.如權利要求1或2所述的刺蝟狀碳納米球的製備方法，其特徵在於:在對所述反應室抽真空的步驟中，反應室內真空抽至0.001~IPa。
7.一種刺蝟狀碳納米球，其特徵在於:所述刺蝟狀碳納米球由權利要求1~6任一項所述刺蝟狀碳納米球的製備方法製備而成，其包括碳納米顆粒和生長在所述碳納米顆粒表面的若干碳刺。
8.如權利要求7所述的刺蝟狀碳 納米球，其特徵在於:所述碳刺根部直徑為20~50nm,長度為50~300nm ;所述碳納米顆粒的粒徑為100~500nm。
9.如權利要求7~8任一項所述的刺蝟狀碳納米球，其特徵在於:所述刺蝟狀碳納米球的直徑為400~2000nm。
10.如權利要求7~8任一項所述的刺蝟狀碳納米球在吸著劑、分子篩碳材、水處理劑、空氣淨化劑和汙水處理領域中的應用。
【文檔編號】C01B31/02GK103848411SQ201210504771
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2012年11月30日 優先權日:2012年11月30日
【發明者】周明傑, 袁新生, 王要兵 申請人:海洋王照明科技股份有限公司, 深圳市海洋王照明技術有限公司, 深圳市海洋王照明工程有限公司