CN104118858B - 一种空心碳纳米笼材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空心碳纳米笼材料的制备方法。该方法是将柠檬酸铁铵置于石英舟内，然后放入装有石英管的管式炉中；在惰性气氛下升高温度至600～1000℃，并保持1～5小时，冷却至室温；在酸溶液和60～100℃的温度下处理12-36小时，过滤水洗干燥后，得到空心碳纳米笼材料。本方法所使用的前驱体价格低廉，制备过程简便，可实现规模化制备。

Description

一种空心碳纳米笼材料的制备方法

技术领域

本发明涉及一种以柠檬酸铁铵为前驱体，通过热处理和酸处理过程制备空心碳纳米笼材料的方法。

背景技术

碳纳米材料由于具有高的比表面积、优良的耐酸碱性能以及良好的导电导热性能，在电子元件、生物医药、吸附、催化反应、电化学能量转化装置等领域具有广阔的应用前景，引起了相关领域研究者的广泛兴趣。其中，空心碳纳米笼材料具有独特的空心纳米结构，可应用于生物分子吸附、催化反应以及超级电容器等方面。现有制备空心碳纳米笼的方法主要包括电弧法、等离子体聚合法、气相化学沉积法、超临界流体法以及激光蒸发法等，一般需要高分子球或者金属离子作为模板，然后在其表面生长碳层，最后再将模板除去得到空心碳纳米笼材料。以上制备方法存在工艺过程复杂、所使用的设备和试剂价格较高以及得到的产物收率低等缺点。

中国专利200410024700.0公开了一种制备空心碳纳米笼的方法：将金属羰基类液体与低碳类有机液体均匀配比的反应溶液置于容量瓶中，然后加热主反应器，并通入惰性气体；将反应溶液经电子蠕动泵由主反应器顶部喷入，在主反应器底部产物收集器中得到包裹有金属离子的实心碳纳米笼；然后溶于酸性溶液中，超声振荡后加热并回流冷却；在混合物中加入蒸馏水稀释，直至溶液呈中性或接近中性，然后静置使固体物质沉积并倒掉上部液体，随即烘干，得到空心碳纳米笼材料。

中国专利CN101284663A公开了一种制备空心碳纳米笼的方法：将碱式碳酸镁或碳酸镁加入到反应管中，均匀铺散，放入管式炉中，然后抽出空气充入惰性气体，如氮气或氩气；在惰性气氛下，反应温度逐渐升温到670～900℃，引入碳源蒸气，在10～500mLmin^-1惰性气体的保护下，反应5～240分钟；所述碳源气体经惰性气体气流带入管式炉反应区，在原位生成的氧化镁纳米粒子表面碳化并包裹，形成MgOC结构；反应结束后，在惰性气体的保护下反应管内温度降至室温；从反应管中收集粉末，置于足量的盐酸或硫酸中浸泡5～720分钟，去除MgO的内核，过滤，用去离子水洗涤至中性，烘干，得到空心碳纳米笼材料。

中国专利CN1810635A公开了一种制备空心碳纳米笼的方法：将惰性气体和乙炔混合气体通入0℃的羰基铁液体带出催化剂形成反应气体，将反应气体导入主反应器顶部经过高温区进行反应，在主反应器底部产物收集器中连续得到有铁催化剂粒子均匀分布的非晶碳先驱体；然后对非晶碳先驱体进行热处理，通过固态反应获得空心碳纳米笼，最后将空心碳纳米笼进行酸处理除去残余催化剂，即得最后产物。

发明内容

本发明公开了一种空心碳纳米笼材料的制备方法。

一种空心碳纳米笼材料，其制备方法如下：

步骤1：将柠檬酸铁铵固体粉末置于石英舟内，然后放入装有石英管的管式炉中。

步骤2：通入惰性气体，然后升高温度至600～1000℃，并保持1～5小时，冷却至室温。

步骤3：将得到的固体在酸溶液和60～100℃的温度下处理12～36小时，过滤水洗烘干后，得到空心碳纳米笼材料。

装有柠檬酸铁铵的石英舟置于装有石英管的管式炉的中央。

所述的惰性气体包括氮气、氩气或氦气中的一种或二种以上，流速在20～100mLmin^-1之间。

热处理的升温速率是5～20℃min-1,从室温升温至600～1000℃。

酸溶液可以是高氯酸、硫酸、盐酸或硝酸，浓度在0.1～2molL^-1之间。

本方法所使用的前驱体价格低廉，制备过程简便，可实现规模化制备。

附图说明

图1实施例1中所得到的空心碳纳米笼扫描电镜图。

图2实施例2中所得到的空心碳纳米笼扫描电镜图。

图3实施例3中所得到的空心碳纳米笼透射电镜图。

图4实施例4中所得到的空心碳纳米笼透射电镜图。

图5实施例5中所得到的空心碳纳米笼透射电镜图。

具体实施方式

本发明制备空心碳纳米笼材料的方法如下：将柠檬酸铁铵固体粉末置于石英舟内，然后放入装有石英管的管式炉中；以一定流速通入惰性气体，然后升高至设定温度，并保持一定时间，然后冷却至室温；将所得到的固体粉末在酸溶液中一定温度下处理12～36小时，过滤水洗烘干后，得到空心碳纳米笼材料。

实施例1

称取8g柠檬酸铁铵置于石英舟内，然后放入装有石英管的管式炉中，在氮气气氛下，以10℃min^-1升高温度至600℃，并保持5小时，冷却至室温后取出。将所得到的固体在0.5molL^-1HClO4溶液中和80℃下处理24小时，过滤水洗干燥后，得到空心碳纳米笼材料。

实施例2

称取10g柠檬酸铁铵置于石英舟内，然后放入装有石英管的管式炉中，在氦气气氛下，以5℃min^-1升高温度至700℃，并保持3小时，冷却至室温后取出。将所得到的固体在0.1molL^-1H2SO4溶液中和90℃下处理12小时，过滤水洗干燥后，得到空心碳纳米笼材料。

实施例3

称取8g柠檬酸铁铵置于石英舟内，然后放入装有石英管的管式炉中，在氩气气氛下，以15℃min^-1升高温度至800℃，并保持1小时，冷却至室温后取出。将所得到的固体在1molL^-1HCl溶液中和70℃下处理36小时，过滤水洗干燥后，得到空心碳纳米笼材料。

实施例4

称取12g柠檬酸铁铵置于石英舟内，然后放入装有石英管的管式炉中，在氮气气氛下，以20℃min^-1升高温度至900℃，并保持1小时，冷却至室温后取出。将所得到的固体在2molL^-1HClO4溶液中和80℃下处理24小时，过滤水洗干燥后，得到空心碳纳米笼材料。

实施例5

称取8g柠檬酸铁铵置于石英舟内，然后放入装有石英管的管式炉中，在氦气气氛下，以10℃min^-1升高温度至1000℃，并保持1小时，冷却至室温后取出。将所得到的固体在0.5molL^-1H2SO4溶液中和80℃下处理24小时，过滤水洗干燥后，得到空心碳纳米笼材料。

Claims (5)

1.一种制备空心碳纳米笼材料的方法，其特征在于：

步骤1：将柠檬酸铁铵固体粉末置于石英舟内，然后放入装有石英管的管式炉中；

步骤2：通入惰性气体，然后升高温度至600～1000℃，并保持1～5小时，冷却至室温；

步骤3：将得到的固体在酸溶液和60～100℃的温度下处理12～36小时，过滤水洗干燥后，得到空心碳纳米笼材料。

2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：装有柠檬酸铁铵的石英舟置于装有石英管的管式炉的中央。

3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述的惰性气体包括氮气、氩气或氦气中的一种或二种以上，流速在20～100mL/min之间。

4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：热处理的升温速率是5～20℃/min，从室温升温至600～1000℃。

5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：酸溶液是高氯酸、硫酸、盐酸或硝酸，浓度在0.1～2mol/L之间。