CN101759179A - 一种碳纳米角的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种碳纳米角的制备方法，属于碳纳米角的合成技术领域。该方法使用直流电弧法，用空气、CO2、CO或CO/N2混合气体作为反应气氛，制得碳纳米角。采用本发明能达到大量生产的要求，设备简单、生产成本低。且产物纯度高，只需简单的灼烧纯化后，碳纳米角的纯度可达94％以上。本发明制得的碳纳米角的直径约为25纳米，可聚集成直径为50—80纳米的球形聚集体。
Description
技术领域
本发明涉及碳纳米角的合成技术，具体是一种碳纳米角的直流电弧制备方法。
背景技术
碳纳米角是近年来发现的碳元素的新的同素异形体，它可以看成是由单层石墨卷曲而成，一端为角状闭口结构，另一端为开口结构。碳纳米角的直径一般为2-5纳米，长度为数纳米至数十纳米。碳纳米角通常聚集为直径为50-100纳米的球形聚集体，其角锥一端指向聚集体的外侧。碳纳米角的角锥状空心结构及独特形貌使其在催化剂载体、燃料电池、锂离子电池和药物输运载体等方面有巨大的应用潜力。因此，碳纳米角的合成及性质研究成为了近年来科学研究中的热点。
碳纳米角的宏量制备最早由日本的Iijima S等人在室温下用激光法实现(Chem.Phys.Lett.，1999，309，165-170)。他们使用CO2激光器在Ar气氛中760 Torr压力下蒸发石墨棒，获得了高纯度的碳纳米角。由于激光法的成本较高，研究人员后来发展了碳纳米角的电弧法制备。电弧法是通过电弧放电蒸发石墨，使碳原子重新组合为碳纳米角。Sano N等人报道了以水或者液氮作为介质采用电弧法制备碳纳米角(J.Phys.D：Appl.Phys.，2004，37，17 20；Nanotechnology，2004，15，546-550)，但该方法中水或液氮的使用，使得操作比较复杂。
发明内容
本发明的目的在于提供一种在空气、CO2、CO或CO/N2气氛中制备碳纳米角的方法。
本发明的上述目的是通过如下的技术方案予以实现的：
一种碳纳米角的制备方法，其特征在于，使用直流电弧法，用空气、CO2、CO或CO/N2混合气体作为反应气氛，所述反应气氛的压力为380--500Torr，制得碳纳米角。
所述直流电弧放电的电流为80--120A。
所述CO/N2混合气体中，CO和N2的体积比为1∶2--2∶1。
将制得的碳纳米角在空气中灼烧，除去无定形碳。
所述灼烧温度可为400--500℃。
所述灼烧时间可为30--60分钟。
本发明的技术优点和效果：
1)使用直流电弧法，设备简单、生产成本低，且能达到大量生产的要求。
2)产物的纯度高，经简单的灼烧纯化之后，纯度可达94％以上。
3)在各种气氛中可以获得不同类型的碳纳米角，在空气气氛中获得的产物为dahlia型碳纳米角，其一端为尖锐的角锥状结构(顶角约为20°)。在CO2、CO以及CO/N2的混合气体中获得的产物为bud型碳纳米角，与dahlia型碳纳米角相比，其端部较为平滑。
使用本发明方法，每天可生产碳纳米角数十克，其纯度在94％以上。扫描及透射电子显微镜表征表明碳纳米角的直径约为2-5纳米，聚集成直径为50-80纳米的球形聚集体。
附图说明
下面结合附图对本发明进一步详细地说明：
图1空气气氛下所得碳纳米角的扫描电子显微镜照片；
图2空气气氛下所得碳纳米角的透射电子显微镜照片；
图3空气气氛下所得碳纳米角的热重及其微分曲线；
图4CO2气氛下所得碳纳米角的扫描电子显微镜照片；
图5CO2气氛下所得碳纳米角的透射电子显微镜照片。
具体实施方式
下面参照本发明的附图，更详细的描述出本发明的最佳实施例。
实施例一
采用电弧炉进行直流放电，电弧炉的炉壁用循环水进行冷却。分别采用光谱纯的石墨棒作为阴极和阳极，两极石墨棒的直径均为8mm。在空气气氛中进行电弧放电，气体压力为380Torr、电流为120A。阳极消耗完之后收集产物，在空气中于450℃灼烧1小时，得到纯度为94％以上的dahlia型碳纳米角。图1为所得碳纳米角的扫描电子显微镜照片，图中的小球为碳纳米角的聚集体，直径一般为50-80纳米。图2为所得碳纳米角的透射电子显微镜照片，可以看到碳纳米角的聚集体以及碳纳米角端部的角锥状结构。图3为碳纳米角的热重及其微分曲线。产物在400℃以下没有明显失重，说明产物中不含无定形碳。
实施例二
采用电弧炉进行直流放电，电弧炉的炉壁用循环水进行冷却。分别采用光谱纯的石墨棒作为阴极和阳极，两极石墨棒的直径均为8mm。在CO2气氛中进行电弧放电，气体压力为380Torr、电流为120A。阳极消耗完之后收集产物，在空气中于450℃灼烧1小时，得到纯度为94％以上的bud型碳纳米角。图4为所得碳纳米角的扫描电子显微镜照片，图中的小球为碳纳米角的聚集体，直径一般为50-80纳米。图5为所得碳纳米角的透射电子显微镜照片，可以看到碳纳米角的聚集体以及碳纳米角端部较为平滑。
实施例三
采用电弧炉进行直流放电，电弧炉的炉壁用循环水进行冷却。分别采用光谱纯的石墨棒作为阴极和阳极，两极石墨棒的直径均为8mm。在CO气氛中进行电弧放电，气体压力为500Torr、电流为80A。阳极消耗完之后收集产物，在空气中于450℃灼烧1小时，得到纯度为94％以上的bud型碳纳米角。
施例四
采用电弧炉进行直流放电，电弧炉的炉壁用循环水进行冷却。分别采用光谱纯的石墨棒作为阴极和阳极，两极石墨棒的直径均为8mm。在CO和N2混合气氛(二者体积比为1∶2)中进行电弧放电，气体压力为380 Torr、电流为120A。阳极消耗完之后收集产物，在空气中于500℃灼烧1小时，得到纯度为94％以上的bud型碳纳米角。
上述实施例只是本发明的举例，尽管为说明目的公开了本发明的最佳实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于最佳实施例和附图所公开的内容。
Claims (6)
1.一种碳纳米角的制备方法，其特征在于，使用直流电弧法，用空气、CO2、CO或CO/N2混合气体作为反应气氛，所述反应气氛的压力为380--500Torr，制得碳纳米角。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述直流电弧放电的电流为80--120A。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述CO/N2混合气体中，CO和N2的体积比为1∶2--2∶1。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，将制得的碳纳米角在空气中灼烧除去无定形碳。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述灼烧温度为400--500℃。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述灼烧时间为30--60分钟。
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