鈰鹽純化納米金剛石粒子的方法
2023-05-14 21:08:46
專利名稱：鈰鹽純化納米金剛石粒子的方法
技術領域：
本發明涉及一種利用鈰鹽純化納米金剛石粒子的方法。
背景技術：
炸藥爆炸方法合成的納米金剛石粉是一個新品種，具有一系列特殊的性質，是一種值得注意的具有很大發展潛力的新材料。爆轟合成後產物是黑色固體物，其主要組成除金剛石粉外，還夾雜著納米石墨和無定形碳以及少量的金屬和其它雜質。採用強氧化性的酸處理，可將非金剛石碳除去，得到灰色納米金剛石粉末。爆轟合成後產物的提純不僅直接影響納米金剛石粉的最終得率、純度、表面特性，而且影響著UFD的成本和應用。據估計提純費用通常佔總成本的60％以上，這也是目前納米金剛石粉價格較高的原因之一。
目前，常用的去除石墨的方法有HClO4酸洗氧化提純法、H2SO4+KMnO4和H2SO4+K2Cr2O7氧化還原提純法等強酸提純方法。強酸提純存在廢酸和有毒氣體的汙染，HClO4還有爆炸的危險，而且成本較高。有研究報導採用稀硝酸高壓提純法(8～12MPa)，該方法建立了整套的酸蒸汽和氣體收集回收利用系統、硝酸製取和再循環水處理系統，酸循環率達75％～80％，從經濟和環保上都有很大改善，同時採用懸浮液的薄膜過濾與表面化學變態和深度清洗相配合，產出多種品質的產品。系統優點明顯，但對設備有耐腐蝕，耐高壓高溫要求等，投資成本高。因此，尋找一種高效、經濟、安全、汙染小的提純方法仍是納米金剛石粉規模化生產中需要解決的問題。
發明內容
本發明的目的是提供利用鈰鹽純化納米金剛石粒子的方法，該方法通過利用鈰鹽與納米碳粒子的氧化還原反應，可將非金剛石碳除去，得到灰色納米金剛石粉末。
本發明的方法是將納米碳粒子加入鈰鹽溶液中，於30～70℃下恆溫振蕩吸附24～48小時，離心分離納米金剛石，用1～5％V/V的硫酸溶液洗滌納米金剛石3～5次，再用去離子水洗滌至中性，在100～120℃真空乾燥12～24小時，得到納米金剛石粒子；所用的鈰鹽溶液濃度為10～100g/L，所用的納米碳粒子和鈰鹽溶液的固液比為1∶100～1∶1000(W/V)。
所用的鈰鹽可以是是硝酸鈰銨或硫酸鈰銨。
上述本發明方法得到的納米金剛石表面的功能團可採用紅外光譜法或X射線光電子能譜法確定，晶體結構採用X-射線衍射法測定，粒徑採用透射電子顯微鏡法測定，元素分析採用元素分析儀和X射線光電子能譜法測定。
本發明方法採用鈰鹽純化法製備納米金剛石，與目前通用的去除石墨的方法一酸洗氧化液相提純法相比，不存在廢酸和有毒氣體的汙染，是一種高效、經濟、安全、汙染小的提純方法，故本發明具有廣闊的應用前景。
以下通過實施例和附圖對本發明作進一步說明。
圖1是本發明方法得到的納米金剛石粒子的透射電子顯微鏡照片；圖2是納米碳粒子和納米金剛石粒子紅外光譜圖，其中a為硝酸純化納米金剛石粒子，b為鈰鹽純化納米金剛石粒子；圖3～8是納米碳粒子和納米金剛石粒子X射線光電子能譜圖；其中圖3是納米碳粒子的C1S分峰譜圖，圖4是納米碳粒子的O1S分峰譜圖，圖5是硝酸純化納米金剛石粒子的C1S分峰譜圖，圖6是硝酸純化納米金剛石粒子的O1S分峰譜圖，圖7是鈰鹽純化納米金剛石粒子的C1S分峰譜圖，圖8是鈰鹽純化納米金剛石粒子的O1S分峰譜圖；圖9～11是納米碳粒子和納米金剛石粒子X射線衍射圖；其中圖9是納米碳粒子的X-射線衍射圖，圖10是硝酸純化納米金剛石粒子的X-射線衍射圖，圖11是鈰鹽純化納米金剛石粒子的X-射線衍射圖。
具體實施例方式
實施例1將100mg經真空恆重後的納米碳粒子加入10ml 100g/ml的硫酸鈰銨溶液中，於30℃下恆溫振蕩吸附24小時，離心分離納米金剛石。用5％(V/V)的硫酸溶液洗滌納米金剛石3次，再用去離子水洗滌至pH≈7。在100℃真空乾燥24小時，得到納米金剛石粒子。
上述方法製備的納米金剛石粒子的粒徑採用透射電子顯微鏡測定，其結果如圖1所示。圖1結果表明納米金剛石粒子的粒徑為4～6nm。
實施例2將100mg經真空恆重後的納米碳粒子加入100ml 10g/ml的硝酸鈰銨溶液中，於50℃下恆溫振蕩吸附24小時，離心分離納米金剛石。用3％(V/V)的硫酸溶液洗滌納米金剛石3次，再用去離子洗滌至pH≈7。在120℃真空乾燥12小時，得到納米金剛石粒子。
上述方法製備的納米金剛石粒子表面的功能團採用紅外光譜法測定，其結果如圖2所示。圖2結果顯示，納米碳粒子外觀呈黑色，紅外光譜結果為廣譜吸收。硝酸純化納米金剛石粒子的紅外光譜與鈰鹽純化納米金剛石粒子有微小的差別。
實施例3將100mg經真空恆重後的納米碳粒子加入20ml 40g/ml的硫酸鈰銨溶液中，於70℃下恆溫振蕩吸附24小時，離心分離納米金剛石。用1％(V/V)的硫酸溶液洗滌納米金剛石5次，再用去離子洗滌至pH≈7。在100℃真空乾燥24小時，得到納米金剛石粒子。
上述方法製備的納米金剛石粒子表面的功能團採用採用X-射線光電子能譜儀，對O1S和C1S自動擬合分峰，可以得到納米碳粒子(見圖3，圖4)、硝酸純化納米金剛石粒子(見圖5，圖6)和鈰鹽純化納米金剛石粒子(見圖7，圖8)的C1S分峰譜圖和O1S分峰譜圖，如圖3～圖8所示。鈰鹽純化納米金剛石粒子的XPS分析結果表明其中氧碳比為0.075，-OH、-C＝O、-COO-等基團的相對比例為41.96∶38.46∶19.58。與納米碳粒子(其中氧碳比為0.04371，-OH、-C＝O、-COO-等基團的相對比例為50.00∶30.77∶19.23)和硝酸純化納米金剛石粒子(其中氧碳比為0.1371，-OH、-C＝O、-COO-等基團的相對比例為32.05∶48.72∶19.23)XPS分析結果不同。
實施例4將100mg經真空恆重後的納米碳粒子加入40ml、25g/ml的硝酸鈰銨溶液中，於30℃下恆溫振蕩吸附48小時，離心分離納米金剛石。用2％的硫酸溶液洗滌納米金剛石5次，再用去離子洗滌至pH≈7。在100℃真空乾燥24小時，得到納米金剛石粒子。
上述方法製備的納米金剛石粒子的晶體結構採用X-射線衍射法測定，黑色納米碳粒子與灰色納米金剛石粉末的X-射線衍射儀(XRD)的結果如圖9～圖11所示。圖9結果表明，納米碳粒子在2θ＝26.34°、27.34°和44.12°處有較強的衍射強度，相對應的晶體晶面距分別為0.33807nm、0.32592nm和0.20509nm。圖10結果表明，硝酸純化納米金剛石粒子在2θ＝43.36°處有較強的衍射強度，相對應的晶體晶面距為0.20850nm。圖11結果表明，鈰鹽純化納米金剛石粒子在2θ＝43.56°處有較強的衍射強度，相對應的晶體晶面距為0.20759nm。上述結果表明鈰鹽純化納米金剛石粒子，鈰離子的強氧化性可將非金剛石碳除去，得到較純的灰色納米金剛石粉末，並且和硝酸純化納米金剛石粒子具有相同的晶體結構。
實施例5將100mg經真空恆重後的納米碳粒子加入60ml、15g/ml的硫酸鈰銨溶液中，於30℃下恆溫振蕩吸附48小時，離心分離納米金剛石。用5％的硫酸溶液洗滌納米金剛石3次，再用去離子洗滌至pH≈7。在120℃真空乾燥24小時，得到納米金剛石粒子。
上述方法製備的納米金剛石粒子的元素分析採用元素分析儀和X射線光電子能譜法測定。納米碳粒子、硝酸純化納米金剛石粒子和鈰鹽純化納米金剛石粒子的的元素分析結果如表1所示。
表1.元素分析結果(wt，％)分析元素 N CH O納米碳粒子3.031 88.231.527 7.212硝酸純化納米金剛石粒子2.085 86.261.187 10.47鈰鹽純化納米金剛石粒子2.008 86.381.778 9.824表1說明鈰離子的強氧化性可將非金剛石碳除去，得到較純的灰色納米金剛石粉末，並且和硝酸純化納米金剛石粒子具有基本相同的成分。
實施例6將100mg經真空恆重後的納米碳粒子加入90ml、10g/ml的硝酸鈰銨溶液中，於30℃下恆溫振蕩吸附24小時，離心分離納米金剛石。用5％的硫酸溶液洗滌納米金剛石3次，再用去離子洗滌至pH≈7。在100℃真空乾燥24小時，得到納米金剛石粒子，稱量，計算納米金剛石得率，三份式樣的納米金剛石粒子的回收率平均值為71.24％。
權利要求
1.一種鈰鹽純化納米金剛石粒子的方法，其特徵是將納米碳粒子加入鈰鹽溶液中，於30～70℃下恆溫振蕩吸附24～48小時，離心分離納米金剛石，用1～5％V/V的硫酸溶液洗滌納米金剛石3～5次，再用去離子水洗滌至中性，在100～120℃真空乾燥12～24小時，得到納米金剛石粒子；所用的鈰鹽溶液濃度為10～100g/L，所用的納米碳粒子和鈰鹽溶液的固液比為1∶100～1∶1000W/V。
2.按照權利要求1所述的方法，其特徵是所用的鈰鹽是硝酸鈰銨或硫酸鈰銨。
全文摘要
本發明涉及一種利用鈰鹽純化納米金剛石粒子的方法，是將一定量經真空恆重後的納米碳粒子加入一定體積的鈰鹽溶液中，於30～70℃下恆溫振蕩吸附24～48小時，離心分離納米金剛石，用1～5％V/V的硫酸溶液洗滌納米金剛石3～5次，再用去離子水洗滌至中性，在100～120℃真空乾燥12～24小時，得到納米金剛石粒子。本發明通過選用硝酸鈰銨或硫酸鈰銨有效地純化了納米金剛石粒子。
文檔編號B01J3/06GK1480252SQ03139849
公開日2004年3月10日 申請日期2003年7月18日 優先權日2003年7月18日
發明者曾漢民, 安小寧 申請人:中山大學