CN101264878A - 一种制备纳米空心碳球的通用技术 - Google Patents

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白玉俊
庞林林
朱慧灵
亓永新
毕见强
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Abstract

本发明公开了一种纳米空心碳球的制备技术，以含氧有机物作碳源，与金属锌混匀后装入反应釜中，封紧反应釜，放到加热炉中，加热到500～600℃，使其发生反应，反应4～8h，停止加热，使反应釜在加热炉中自然冷却至室温；反应产物再经清洗、抽滤、烘干等工艺，得到成品。本发明方法具有原料成本低；反应温度低，工艺稳定，易于控制；剩余反应物锌及反应副产物氧化锌易于彻底清除；易实现大规模制备。

Description

一种制备纳米空心碳球的通用技术
(一)技术领域
本发明涉及一种制备纳米空心碳球的技术，属于无机非金属粉体材料制备方法技术领域。
(二)背景技术
中空碳球是一种特殊的碳材料，具有高的化学稳定性、较低的密度、良好的高温耐热性能以及生物相容性，不仅可用于电极材料、催化剂载体、储气介质、润滑剂、药物传输器、人造细胞、制备其它材料空心球的模板等，还可用作染料、橡胶增强相、轻质结构材料等，最近吸引了越来越多的关注。
目前空心碳球主要通过有机物高温裂解、气相沉积、介质还原、激光蒸馏、电弧放电、冲击压缩C60富勒烯、水热合成、自组装模板法合成等方法进行制备。通过这些方法制备空心碳球通常需要在高温条件下进行，反应时间长，能耗大，同时需要使用催化剂或模板，不仅设备昂贵、操作复杂、成本较高，而且空心碳球的产率较低，纯度不高(金属催化剂不易彻底清除)，直接影响了空心碳球的工业化生产及其应用。因此探索低温大规模制备空心碳球的技术，不仅有助于从理论上探讨空心碳球的形成机理，而且为研究其性能提供原料，有助于推动空心碳球的广泛应用。
中国专利CN 1454839A公开一种利用脉冲电流作用于含有石墨阳极和石墨阴极的电弧反应室，电弧反应室需通入一种惰性气体，利用产生的电弧放电反应来制备中空纳米碳球的方法。
(三)发明内容
为克服现有技术的不足，本发明提供一种以含氧有机物作碳源，与金属锌进行反应，大量制备纳米空心碳球的通用技术
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种低温制备纳米空心碳球的方法，步骤如下：
(1)称取碳源和金属锌，混匀后装入反应釜中，封紧反应釜，放到加热炉中，加热到500～600℃，使其发生反应，反应4～8h，停止加热，使反应釜在加热炉中自然冷却至室温；
(2)用盐酸清洗反应产物，并进行抽滤，除去残余反应物Zn及反应副产物ZnO；
(3)用去离子水清洗反应产物，并进行抽滤，至滤液呈中性为止；
(4)将所得产物在60～80℃下烘干3～8小时，即得到黑色粉末；
所述步骤(1)中的碳源是含氧有机物如丙三醇、乙二醇、丙酮、乙酸、乙醛、乙酸乙酯、各种糖类。
所述步骤(1)中含氧有机物中的氧与锌的摩尔数之比为1∶1.2～1.5。
本发明所用的设备简单，操作简单方便，反应温度低(500～600℃)，反应物的处理简单，工艺稳定，生产效率高。
本发明具有以下优点：1、成本低：所用的原料均为常用的化工原料，廉价易得；且工艺操作简单。2、温度低，工艺稳定，易于控制。3、剩余反应物锌及反应副产物氧化锌易于彻底清除，从而可获得高纯度的纳米空心碳球。4、可用于大规模制备纳米空心碳球。
(四)附图说明
图1为乙醚与锌在550℃反应8小时所得样品的场发射扫描电镜形貌图；
图2为丙三醇与锌在550℃反应8小时所得样品的高分辨电镜像；
图3为丙三醇与锌在550℃反应8小时所得样品的Raman光谱图。
(五)具体实施方式：
实施例1：
通过乙醚与锌之间的反应制备纳米空心碳球。用天平称取14g Zn，用移液管量取8.5ml乙醚，移入30ml的不锈钢反应釜中。反应釜封紧后，在加热炉中加热到550℃保温8小时后停止加热，反应釜在炉中自然冷却到室温。反应产物经盐酸清洗、抽滤，以除去残余反应物Zn及反应副产物ZnO，再用去离子水清洗，所得产物在60℃温度下烘干8小时后，得到0.4g黑色粉末。
图1所示是本实施例中制备的纳米空心碳球的场发射扫描电镜形貌图。可以清楚地看到产物中形成了大量的纳米空心碳球。
实施例2：
通过丙酮与锌之间的反应制备纳米空心碳球。用天平称取15g Zn，用移液管量取8ml丙酮，移入30ml的不锈钢反应釜中。反应釜封紧后，在加热炉中加热到550℃保温10小时后停止加热，反应釜在炉中自然冷却到室温。反应产物经盐酸清洗、抽滤，以除去残余反应物Zn及反应副产物ZnO，再用去离子水清洗，所得产物在70℃温度下烘干6小时后，得到1.75g黑色粉末。
实施例3：
通过乙酸与锌之间的反应制备纳米空心碳球。用天平称取25g Zn，用移液管量取7.5ml乙酸，移入30ml的不锈钢反应釜中。反应釜封紧后，在加热炉中加热到550℃保温7小时后停止加热，反应釜在炉中自然冷却到室温。反应产物经盐酸清洗、抽滤，以除去残余反应物Zn及反应副产物ZnO，再用去离子水清洗，所得产物在80℃温度下烘干3小时后，得到0.75g黑色粉末。
实施例4：
通过丙三醇与锌之间的反应制备纳米空心碳球。用天平称取25g Zn，用移液管量取6.5ml丙三醇，移入30ml的不锈钢反应釜中。反应釜封紧后，在加热炉中加热到550℃保温8小时后停止加热，反应釜在炉中自然冷却到室温。反应产物经盐酸清洗、抽滤，以除去残余反应物Zn及反应副产物ZnO，再用去离子水清洗，所得产物在60℃温度下烘干8小时后，得到0.45g黑色粉末。
图2所示是本实施例中制备的纳米空心碳球的高分辨电镜像。可以看到空心碳球的直径在几个纳米到30纳米之间。
图3所示是本实施例中制备的纳米空心碳球的Raman光谱图。1350cm-1和1585cm-1处的峰分别对应着碳的D带和G带两个特征峰。
实施例5：
通过葡萄糖与锌之间的反应制备纳米空心碳球。用天平称取23g Zn，7.2g葡萄糖，移入30ml的不锈钢反应釜中。反应釜封紧后，在加热炉中加热到550℃保温6小时后停止加热，反应釜在炉中自然冷却到室温。反应产物经盐酸清洗、抽滤，以除去残余反应物Zn及反应副产物ZnO，再用去离子水清洗，所得产物在70℃温度下烘干5小时后，得到0.9g黑色粉末。
实施例6：
通过葡萄糖与锌之间的反应制备纳米空心碳球。用天平称取23g Zn，7.2g葡萄糖，移入30ml的不锈钢反应釜中。反应釜封紧后，在加热炉中加热到500℃保温6小时后停止加热，反应釜在炉中自然冷却到室温。反应产物经盐酸清洗、抽滤，以除去残余反应物Zn及反应副产物ZnO，再用去离子水清洗，所得产物在70℃温度下烘干5小时后，得到0.7g黑色粉末。
实施例7：
通过蔗糖与锌之间的反应制备纳米空心碳球。用天平称取23g Zn，7.1g葡萄糖，移入30ml的不锈钢反应釜中。反应釜封紧后，在加热炉中加热到550℃保温6小时后停止加热，反应釜在炉中自然冷却到室温。反应产物经盐酸清洗、抽滤，以除去残余反应物Zn及反应副产物ZnO，再用去离子水清洗，所得产物在70℃温度下烘干5小时后，得到1.4g黑色粉末。

Claims (4)

1、一种纳米空心碳球的制备技术，其特征在于，所述纳米空心碳球制备技术包括以下步骤：
①以含氧有机物作碳源，与金属锌进行反应；
②将两种物质混匀后装入反应釜中，封紧反应釜，放到加热炉中，加热使两种物质发生反应，加热炉保温一段时间后停止加热，使反应釜在加热炉中自然冷却至室温；
③反应产物先经盐酸清洗，再用去离子水清洗反应产物，并进行抽滤，至滤液呈中性为止，最后将产物在60-80℃下烘干3～8小时后，得到黑色粉末成品。
2、根据权利要求1所述的纳米空心碳球制备技术，其特征在于：制备纳米空心碳球的含氧有机物为丙酮、乙酸、乙醛、乙酸乙酯以及各种糖类。
3、根据权利要求1所述的纳米空心碳球制备技术，其特征在于：含氧有机物中的氧与锌的摩尔数之比为1∶1.2～1.5。
4、根据权利要求1所述的纳米空心碳球制备技术，其特征在于：将含氧有机物与金属锌混匀后装入反应釜中，封紧反应釜，放到加热炉中，加热到500～600℃，使其发生反应，反应4～8h，停止加热，使反应釜在加热炉中自然冷却至室温。
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Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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