CN103058170B - 一种制备碳纳米材料的碳源、碳纳米材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种制备碳纳米材料的碳源、碳纳米材料的制备方法，碳源其组分及体积配比为：N,N-二甲基甲酰胺1-50份，卤代甲烷1-50份；制备方法步骤包括：碳源混合、将碳源在管式炉或者在高压釜中加热反应、用水浸泡、洗涤溶解杂质、烘干。本发明具有很高的适用性，制备方法具有产品易得、反应温度较低、无需使用催化剂、对反应设备要求低、生产成本低等特点。
Description
技术领域
本发明涉及纳米材料技术领域，更具体的说是涉及一种制备碳纳米材料的碳源、碳纳米材料的制备方法。
背景技术
碳是化学稳定性极好的物质，在常温和普通环境下适用，几乎呈化学惰性，而且，碳也是元素周期表中唯一具有从零维到三维同素异形体的元素，其独特的性质和多种多样的形态吸引着科学家们广泛的关注与研究。碳纳米材料的结构、维度、形貌、尺寸等因素对它们的性能有着重要影响。因而，碳纳米材料的调控合成是碳纳米技术发展的重要组成部分，也是探索碳纳米材料性能及应用研究的基础。
碳纳米材料的合成方法有很多，但是最常采用的方法有以下四种：激光蒸发法（laser-ablation methods）、电弧放电法（arc-discharge methods）、化学气相沉积法（chemical vapor deposition,CVD methods）以及溶剂热合成方法 （solvothermal syntheticmethod）。
现有的制备碳纳米材料的主要方法存在以下不足：1、合成温度较高，对反应设备要求较高，生产成本较高；2、大多数需要催化剂。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种制备碳纳米材料的碳源、碳纳米材料的制备方法。使用本发明碳源制备纳米材料，具有很高的适用性，制备方法具有产品易得、反应温度较低、无需使用催化剂、对反应设备要求低、生产成本低等特点。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：
一种制备碳纳米材料的碳源，其组分及体积配比为：N,N-二甲基甲酰胺1-50份，卤代甲烷1-50份；所述卤代甲烷选自四氯化碳、三氯甲烷、二氯甲烷中的一种或几种。
一种碳纳米材料的制备方法，包括以下步骤：
a、将碳源组分按配比混合搅拌，混合完全；
b、将洁净干燥的金属片放置于刚玉舟上并放入管式炉中；
c、将步骤a中配好的碳源用氮气吹入管式炉中，在400~700℃下反应0.5h以上；
d、反应完毕后，将金属片浸泡于蒸馏水中1h以上，取出烘干。
所述步骤b中金属片为铜片或不锈钢片；步骤c中氮气流速为0.1-1L/min；步骤d中烘干为真空干燥，温度20-60℃。
一种碳纳米材料的制备方法，包括以下步骤：
a、将碳源按配比混合搅拌，混合完全；
b、将步骤a配好的碳源倒入高压釜中，在150~210℃下，反应1h以上，然后自然冷却至室温；
c、将产物洗涤干净，烘干，即制得碳纳米材料。
所述步骤c烘干温度为50-100℃。
使用本发明碳源制备纳米材料，主要是利用卤代甲烷在一定的温度下导致碳卤键均裂，并引发链式反应，N,N-二甲基甲酰胺做为卤自由基的吸收剂，使得碳卤键均裂反应朝生成碳的方向进行。本发明具有很高的适用性，制备方法具有产品易得、反应温度较低、无需使用催化剂、对反应设备要求低、生产成本低等特点。
附图说明：
图1-2为实施例1制备的碳纳米材料的扫描电镜照片、拉曼图谱；
图3为实施例2制备的碳纳米材料的扫描电镜照片；
图4为实施例3制备的碳纳米材料的扫描电镜照片；
图5为实施例4制备的碳纳米材料的扫描电镜照片；
图6为实施例5制备的碳纳米材料的扫描电镜照片；
图7~9为实施例6制备的碳纳米材料的扫描电镜照片、拉曼图谱、傅立叶红外图谱；
图10为实施例7制备的碳纳米材料的扫描电镜照片。
图11为实施例8制备的碳纳米材料的扫描电镜照片。
图12为实施例9制备的碳纳米材料的扫描电镜照片。
具体实施方式
实施例1:
一种制备碳纳米材料的碳源，其组分及体积配比为：N,N-二甲基甲酰胺1份，四氯化碳1份；
一种碳纳米材料的制备方法，包括以下步骤：
a、在室温下，将10ml的N,N-二甲基甲酰胺倒入烧杯中，然后加入10ml的四氯化碳，室温下搅拌10min，使两种溶液完全混合；
b、将铜片放置烧杯内，加入乙醇溶液使铜片完全浸泡在铜片内，超声洗涤10min，低温真空烘干，烘干后放置于刚玉舟上并放入管式炉中；
c、将步骤a中配好的溶液由流速为0.2L/min的氮气吹入管式炉中，在400oC下反应1h；
d、反应完毕后，将铜片浸泡于蒸馏水中1h，最后30oC下真空干燥。
制备的碳纳米材料的扫描电镜照片、拉曼图谱见图1、图2。
由扫描电镜图片显示，在铜片基底上沉积了一层薄薄的碳纳米材料。
由拉曼图谱显示，有两个强峰，分别位于1356 cm-1和1594 cm-1处，它们是碳纳米材料典型的Raman峰：位于1356 cm-1处的峰对应于二维石墨片层边缘或缺陷处具有悬键的碳原子振动；而1594 cm-1处的峰对应于石墨的E2g振动模式，它和平面石墨晶格中sp2杂化的碳原子振动有关。而位于1594 cm-1处的峰强度高于位于1356 cm-1处的峰，说明产物中碳原子在二维平面上的有序度比较高。
实施例2:
一种制备碳纳米材料的碳源，其组分及体积配比为：N,N-二甲基甲酰胺1份，四氯化碳5份；
一种碳纳米材料的制备方法，包括以下步骤：
a、在室温下，将10ml的N,N-二甲基甲酰胺倒入烧杯中，然后加入50ml的四氯化碳，室温下搅拌10min，使两种溶液完全混合；
b、将洁净干燥的铜片放置于刚玉舟上并放入管式炉中；
c、将步骤a中配好的溶液由流速为0.5L/min的氮气吹入管式炉中。在500oC下反应1h；
d、反应完毕后，将铜片浸泡于蒸馏水中1.5h，最后20oC下真空干燥。
制备的碳纳米材料的扫描电镜照片见图3。
由扫描电镜图片显示，在铜片基底上沉积的碳纳米材料层较厚。
实施例3:
一种制备碳纳米材料的碳源，其组分及体积配比为：N,N-二甲基甲酰胺50份，四氯化碳1份；
一种碳纳米材料的制备方法，包括以下步骤：
a、在室温下，将50ml的N,N-二甲基甲酰胺倒入烧杯中，然后加入1m;的四氯化碳，室温下搅拌15min，使两种溶液完全混合；
b、将洁净干燥的不锈钢片放置于刚玉舟上并放入管式炉中；
c、将步骤a中配好的溶液由流速为0.1L/min的氮气吹入管式炉中，在600oC下反应0.8h；
d、反应完毕后，将铜片浸泡于蒸馏水中1h，最后60oC下真空干燥。
制备的碳纳米材料的扫描电镜照片见图4。
由扫描电镜图片显示，铜片基底上有一些小块，碳纳米材料层很厚。
实施例4:
一种制备碳纳米材料的碳源，其组分及体积配比为：N,N-二甲基甲酰胺1份，四氯化碳30份；
一种碳纳米材料的制备方法，包括以下步骤：
a、在室温下，将1ml的N,N-二甲基甲酰胺倒入烧杯中，然后加入30ml的四氯化碳，室温下搅拌10min，使两种溶液完全混合；
b、将洁净干燥的铜片放置于刚玉舟上并放入管式炉中；
c、将步骤a中配好的溶液由流速为0.4L/min的氮气吹入管式炉中，在700oC下反应0.5h；
d、反应完毕后，将铜片浸泡于蒸馏水中2h，最后40oC下真空干燥。
制备的碳纳米材料的扫描电镜照片见图5。
由扫描电镜图片显示，铜片基底上沉积的碳呈现出瘪状的球形。
实施例5：
一种制备碳纳米材料的碳源，其组分及体积配比为：N,N-二甲基甲酰胺3份，三氯甲烷2份；
一种碳纳米材料的制备方法，包括以下步骤：
a、在室温下，将30ml的N,N-二甲基甲酰胺倒入烧杯中，然后加入20ml的四氯化碳，室温下搅拌10min，使两种溶液完全混合；
b、将洁净干燥的铜片放置于刚玉舟上并放入管式炉中；
c、将步骤a中配好的溶液由流速为0.9L/min的氮气吹入管式炉中，在550oC下反应1.2h；
d、反应完毕后，将铜片浸泡于蒸馏水中1.5h，最后50oC下真空干燥。
制备的碳纳米材料的扫描电镜照片见图6。
由扫描电镜图片显示，铜基底上有较厚的碳层，并且有少量的小块。
实施例6:
一种制备碳纳米材料的碳源，其组分及体积配比为：N,N-二甲基甲酰胺1份，四氯化碳1.5份；
一种碳纳米材料的制备方法，包括以下步骤：
a、在室温下，将10ml的N,N-二甲基甲酰胺倒入烧杯中，然后加入15ml的四氯化碳，室温下搅拌10min，使两种溶液完全混合；
b、将步骤a中得到的混合溶液倒入60mL的高压釜中，在210oC下，反应1h，然后自然冷却至室温。将收集到的产物用去离子水和乙醇各洗涤3次，最后，70oC烘干样品，即可。
制备的碳纳米材料的扫描电镜照片、拉曼图谱、傅立叶红外图谱见图7~9。
由扫描电镜图片显示，产物呈现一种无序的片层状；
由拉曼图谱显示，有两个强峰，分别位于1361 cm-1和1594 cm-1处。它们是碳纳米材料典型的Raman峰：位于1361cm-1处的峰对应于二维石墨片层边缘或缺陷处具有悬键的碳原子振动；而1594 cm-1处的峰对应于石墨的E2g振动模式，它和平面石墨晶格中sp2杂化的碳原子振动有关。而位于1594 cm-1处的峰强度高于位于1361cm-1处的峰，说明产物中碳原子在二维平面上的有序度比较高；
由傅立叶红外图谱，进一步说明产物是碳纳米材料。数据如下：
表明产物为碳纳米材料，产物表面有一些氧化基团。
实施例7:
一种制备碳纳米材料的碳源，其组分及体积配比为：N,N-二甲基甲酰胺1份，四氯化碳45份；
一种碳纳米材料的制备方法，包括以下步骤：
a、在室温下，将1ml的N,N-二甲基甲酰胺倒入烧杯中，然后加入45ml的四氯化碳，室温下搅拌10min，使两种溶液完全混合；
b、将步骤a中得到的混合溶液倒入60mL的高压釜中，在180oC下，反应1.2h，然后自然冷却至室温；将收集到的产物用去离子水和乙醇各洗涤3次，最后，95oC烘干样品。
制备的碳纳米材料的扫描电镜照片见图10。
由扫描电镜图片显示，其产物的颜色呈现黑色，产物尺寸非常小。
实施例8:
一种制备碳纳米材料的碳源，其组分及体积配比为：N,N-二甲基甲酰胺20份，三氯甲烷7份；
一种碳纳米材料的制备方法，包括以下步骤：
a、在室温下，将20ml的N,N-二甲基甲酰胺倒入烧杯中，然后加入7ml的四氯化碳，室温下搅拌10min，使两种溶液完全混合；
b、将步骤a中得到的混合溶液倒入60mL的高压釜中，在150oC下，反应2h，然后自然冷却至室温；将收集到的产物用去离子水和乙醇各洗涤3次，最后，55oC烘干样品。
制备的碳纳米材料的扫描电镜照片见图11。
由扫描电镜图片显示，其产物的颜色呈现黑色，产物尺寸非常小。
实施例9:
一种制备碳纳米材料的碳源，其组分及质量配比为：N,N-二甲基甲酰胺10份，二氯甲烷10份；
一种碳纳米材料的制备方法，包括以下步骤：
a、在室温下，将10mL的N,N-二甲基甲酰胺倒入烧杯中，然后加入10mL的四氯化碳，室温下搅拌10min，使两种溶液完全混合；
b、将步骤a中得到的混合溶液倒入60 mL的高压釜中，在150oC下，反应1h，然后自然冷却至室温；将收集到的产物用去离子水和乙醇各洗涤3次，最后，85oC烘干样品。
制备的碳纳米材料的扫描电镜照片见图12。
由扫描电镜图片显示，其产物的颜色呈现黑色，产物尺寸非常小。
Claims (6)
1.一种碳纳米材料的制备方法，包括以下步骤：
a、将碳源组分按配比混合搅拌，混合完全；
b、将洁净干燥的金属片放置于刚玉舟上并放入管式炉中；
c、将步骤a中配好的碳源用氮气吹入管式炉中，在400～700℃下反应0.5h以上；
d、反应完毕后，将金属片浸泡于蒸馏水中1h以上，取出烘干；
所述碳源的组分及体积配比为：N,N-二甲基甲酰胺1-50份，卤代甲烷1-50份；所述卤代甲烷选自四氯化碳、三氯甲烷、二氯甲烷中的一种或几种。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤b中金属片为铜片或不锈钢片。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤c中氮气流速为0.1-1L/min。
4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤d中烘干为真空干燥，温度20-60℃。
5.一种碳纳米材料的制备方法，包括以下步骤：
a、将碳源按配比混合搅拌，混合完全；
b、将步骤a配好的碳源倒入高压釜中，在150～210℃下，反应1h以上，然后自然冷却至室温；
c、将产物洗涤干净，烘干，即制得碳纳米材料；
所述碳源的组分及体积配比为：N,N-二甲基甲酰胺1-50份，卤代甲烷1-50份；所述卤代甲烷选自四氯化碳、三氯甲烷、二氯甲烷中的一种或几种。
6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于：所述步骤c中烘干温度为50-100℃。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20150128 Termination date: 20200104 |