一種以苯酚為前驅物大量製備無定型碳納米籠的方法
2023-09-20 02:17:20 4
一種以苯酚為前驅物大量製備無定型碳納米籠的方法
【專利摘要】本發明涉及一種以苯酚為前驅物大規模製備無定型碳納米籠粉體的方法。將一定量的鹼式碳酸鎂放置於管式爐中間，一定量的苯酚放置於管式爐的氣流上遊，放置鹼式碳酸鎂區間在氬氣保護下升溫至650～1000℃，然後放置苯酚區間升溫至80～120℃，苯酚蒸汽隨氬氣帶入至反應區，在氧化鎂納米立方體的表面脫氫，反應維持0.5～2h，隨之在氬氣保護下冷卻至室溫。最後以稀鹽酸浸漬所得粉體，過濾，再以蒸餾水清洗、在80-120℃烘乾，即得無定型碳納米籠粉體。該方法具有工藝簡便、成本低廉、環保清潔、可按比例規模生產等優點，在製備優良的無定型碳納米籠粉體方面將有廣闊的應用前景。
【專利說明】一種以苯酚為前驅物大量製備無定型碳納米籠的方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種以苯酚為前驅物大規模製備無定型碳納米籠粉體的方法。
【背景技術】
[0002] 自從富勒烯C6(l被發現以來，零維碳納米材料以其新穎結構和獨特的光、電、磁 等性質引起人們日益強烈的關注。其中碳納米籠就是零維碳納米材料系統裡面的典型 代表。雖然一段時間被作為合成碳納米管過程中的副產物，但隨著碳納米籠在能源、催 化、分離等科學領域發揮越來越多的關鍵作用，人們對它的認識以及研究程度也越來越 廣泛和深入。迄今為止，人們已發展了多條技術路線來合成碳納米籠，如電弧法、雷射 燒蝕法、等離子體聚合法、化學氣相沉積（CVD)以及超臨界流體法等（Adv. Mater. 2003, 22,1922 ;Carbon2005,8,1667 ;Carbon2004, 42,813 ;J. Nanoparticle Res. 2004, 6,447 ; CN101284663A.)。這些方法的共同點就是碳氫分子在金屬粒子、高分子球或氧化矽球或氧 化鎂立方體等表面脫氫、氧成分，然後形成核/殼結構的碳膠囊，再以一定的物理或化學方 法除核，就可以得到意想中的碳空心納米籠。但這些方法中使用到的碳氫有機物在常溫下 為氣體或液體型，具有易爆、易燃甚至強毒性，不利於運輸和儲存，給安全合成和大規模生 產帶來很大不便。
【發明內容】
[0003] 本發明目的是提供一種常溫為固體、廉價的前驅物-苯酚，採用原位加熱鹼式碳 酸鎂分解得到的氧化鎂為模板，以管式爐氣相合成無定型碳納米籠粉體。由於該方法具有 工藝簡便、成本低廉、環保清潔、可按比例規模生產等優點，所以在製備無定型碳納米籠粉 體方面將有廣闊的應用前景。
[0004] 本發明的技術方案是：它包括下列步驟：
[0005] 1)以苯酚為碳源，放置在管式爐的氣流上端；
[0006] 2)以鹼式碳酸鎂為模板，放置在管式爐中間，然後抽出空氣充入氬氣，使放置鹼式 碳酸鎂處升溫至700?1000°C，然後苯酚區間的溫度升至80?120°C，脫氫反應30?120 分鐘；
[0007] 3)苯酚蒸汽隨氬氣流以流量為50?lOOsccm帶入反應區，在原位生成內填氧化鎂 納米立方體的碳包裹層，形成MgO@C結構；
[0008] 4)以0. 1?lmol/L的鹽酸浸泡2-3小時後過濾、再以蒸餾水清洗、烘乾，即得所需 要的無定型碳納米籠。
[0009] 上述各原料組份只說明了它們的比例關係，在實際生產中可以根據需要進行成倍 的擴大或縮小，這都屬於本發明的保護範圍。
[0010] 本發明所產生的有益效果是：
[0011] 1.本發明所提出的以苯酚為前驅物大量製備無定型碳納米籠粉體，其特點是以價 格低廉、物性低毒的苯酚為前驅物來製備無定型碳納米籠粉體。
[0012] 2.本發明所提出的以苯酚為前驅物大量製備無定型碳納米籠粉體，其特點是製備 無定型碳納米籠粉體的反應過程簡單，只需在氬氣保護下把苯酚蒸汽通過灼熱的氧化鎂表 面，發生脫氫反應，然後以稀鹽酸、蒸餾水清洗氧化鎂模板即可得到所需的碳納米籠粉體。
[0013] 3、本發明所提出的以苯酚為前驅物大量製備無定型碳納米籠粉體，其特點是所制 備碳納米籠在製備過程中天然具有較多缺陷，所以產物為無定型結構，這將是許多催化劑 粒子的優良載體，因而在電催化、電子學上有較大的應用價值。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014] 圖1 :放置鹼式碳酸鎂區間的反應溫度為750°C，放在爐管上遊的苯酚蒸發溫度為 90°C，維持反應lh，產物經過稀鹽酸浸泡2h後，再以蒸餾水多次清洗至濾液為中性，最後所 得的碳納米籠的透射電鏡圖片。電鏡圖片顯示，碳納米籠為無定型空心結構，納米籠的大小 為100nmX150nm，納米籠的壁厚在8nm左右。
[0015] 圖2 :為圖1中產物的X射線衍射圖（XRD)，亦表明產物為無定型結構。
[0016] 圖3 :為圖1中產物的拉曼（Raman)圖，表明產物中含有大量的結構缺陷。
[0017] 圖4:為圖1中產物的氮氣吸附/脫附曲線以及孔徑分布圖，顯示產物的比表面高 達920m 2/g，納米籠的開口孔徑為2. 6nm，4. 9?12. Onm的寬孔徑為碳納米籠的堆積孔。
【具體實施方式】
[0018] 本發明所需裝置主要由熱化學氣相沉積系統和過濾裝置兩部分組成，各部分作用 如下：（1)熱化學氣相沉積系統提供製備場所；（2)過濾裝置除去氧化鎂模板。
[0019] 實施例1以反應溫度為750°C為例，製備碳納米籠。
[0020] 稱量10克鹼式碳酸鎂放入兩端開口的石英管中，把石英管轉移至管式爐中間；稱 量1克苯酚放入瓷舟中，把瓷舟轉移至管式爐氣流上遊。以油泵對管式爐抽氣至真空，然後 充入氬氣；以15°C /min的加熱速度使得爐管反應區升溫至750°C，再加熱放置苯酚的區間 至90°C，同時維持氬氣流速為lOOsccm ;反應維持lh後繼續在氬氣保護下冷卻至室溫。把 所得產物浸漬在500ml的0. 5mol/L的稀鹽酸中2h，隨後以砂型漏鬥過濾，其中以蒸餾水反 復衝洗多次，至濾液pH為中性；最後把過濾物在90°C下烘乾3h，研磨後稱量得到0. 24克黑 色粉體。經計算可得1克苯酚中的碳原子利用率為31. 3%。產物的形貌、結構以及比表面 和孔分布等信息如圖1、圖2、圖3和圖4所示。
[0021] 實施例2以反應溫度為900°C為例，製備碳納米籠。
[0022] 稱量10克鹼式碳酸鎂放入兩端開口的石英管中，把石英管轉移至管式爐中間；稱 量1克苯酚放入瓷舟中，把瓷舟轉移至管式爐氣流上遊。以油泵對管式爐抽氣至真空，然後 充入氬氣；以15°C /min的加熱速度使得爐管反應區升溫至900°C，再加熱放置苯酚的區間 至90°C，同時維持氬氣流速為lOOsccm ;反應維持lh後繼續在氬氣保護下冷卻至室溫。把 所得產物浸漬在500ml的0. 5mol/L的稀鹽酸中2h，隨後以砂型漏鬥過濾，其中以蒸餾水反 復衝洗多次；最後把過濾物在90°C下烘乾3h，研磨後稱量得到0. 22克黑色粉體。經計算可 得1克苯酚中的碳原子利用率為28. 9%。X射線衍射儀、高分辨電鏡以及拉曼光譜都表明， 在900°C高溫下製得的產物亦為無定型碳納米籠。
【權利要求】
1. 一種以苯酚為前驅物大量製備無定型碳納米籠，其特徵在於：它包括下列步驟： 1) 以苯酚為碳源，放置在管式爐的氣流上端； 2) 以鹼式碳酸鎂為模板，放置在管式爐中間，然後抽出空氣充入氬氣，使放置鹼式碳酸 鎂處升溫至700?1000°C，然後苯酚區間的溫度升至80?120°C，脫氫反應30?120分 鍾； 3) 苯酚蒸汽隨氦氣流以流量為50?lOOsccm帶入反應區，在原位生成內填氧化鎂納米 立方體的碳包裹層，形成MgO@C結構； 4) 以0. 1?lmol/L的鹽酸浸泡2-3小時後過濾、再以蒸餾水清洗、烘乾，即得所需要的 無定型碳納米籠。
【文檔編號】C01B31/02GK104118859SQ201310171947
【公開日】2014年10月29日 申請日期:2013年4月25日 優先權日:2013年4月25日
【發明者】餘樂書, 呂英英, 劉綏陽 申請人:上饒師範學院