CN104118859B - 一种以苯酚为前驱物大量制备无定型碳纳米笼的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种以苯酚为前驱物大规模制备无定型碳纳米笼粉体的方法。将一定量的碱式碳酸镁放置于管式炉中间，一定量的苯酚放置于管式炉的气流上游，放置碱式碳酸镁区间在氩气保护下升温至650～1000℃，然后放置苯酚区间升温至80～120℃，苯酚蒸汽随氩气带入至反应区，在氧化镁纳米立方体的表面脱氢，反应维持0.5～2h，随之在氩气保护下冷却至室温。最后以稀盐酸浸渍所得粉体，过滤，再以蒸馏水清洗、在80-120℃烘干，即得无定型碳纳米笼粉体。该方法具有工艺简便、成本低廉、环保清洁、可按比例规模生产等优点，在制备优良的无定型碳纳米笼粉体方面将有广阔的应用前景。

Description

一种以苯酚为前驱物大量制备无定型碳纳米笼的方法

技术领域

本发明涉及一种以苯酚为前驱物大规模制备无定型碳纳米笼粉体的方法。

背景技术

自从富勒烯C₆₀被发现以来，零维碳纳米材料以其新颖结构和独特的光、电、磁等性质引起人们日益强烈的关注。其中碳纳米笼就是零维碳纳米材料系统里面的典型代表。虽然一段时间被作为合成碳纳米管过程中的副产物，但随着碳纳米笼在能源、催化、分离等科学领域发挥越来越多的关键作用，人们对它的认识以及研究程度也越来越广泛和深入。迄今为止，人们已发展了多条技术路线来合成碳纳米笼，如电弧法、激光烧蚀法、等离子体聚合法、化学气相沉积(CVD)以及超临界流体法等(Adv.Mater.2003，22，1922；Carbon2005，8，1667；Carbon2004，42，813；J.NanoparticleRes.2004，6，447；CN101284663A.)。这些方法的共同点就是碳氢分子在金属粒子、高分子球或氧化硅球或氧化镁立方体等表面脱氢、氧成分，然后形成核/壳结构的碳胶囊，再以一定的物理或化学方法除核，就可以得到意想中的碳空心纳米笼。但这些方法中使用到的碳氢有机物在常温下为气体或液体型，具有易爆、易燃甚至强毒性，不利于运输和储存，给安全合成和大规模生产带来很大不便。

发明内容

本发明目的是提供一种常温为固体、廉价的前驱物-苯酚，采用原位加热碱式碳酸镁分解得到的氧化镁为模板，以管式炉气相合成无定型碳纳米笼粉体。由于该方法具有工艺简便、成本低廉、环保清洁、可按比例规模生产等优点，所以在制备无定型碳纳米笼粉体方面将有广阔的应用前景。

本发明的技术方案是：它包括下列步骤：

1)以苯酚为碳源，放置在管式炉的气流上端；

2)以碱式碳酸镁为模板，放置在管式炉中间，然后抽出空气充入氩气，使放置碱式碳酸镁处升温至700～1000℃，然后苯酚区间的温度升至80～120℃，脱氢反应30～120分钟；

3)苯酚蒸汽随氩气流以流量为50～100sccm带入反应区，在原位生成内填氧化镁纳米立方体的碳包裹层，形成MgOC结构；

4)以0.1～1mol/L的盐酸浸泡2-3小时后过滤、再以蒸馏水清洗、烘干，即得所需要的无定型碳纳米笼。

上述各原料组份只说明了它们的比例关系，在实际生产中可以根据需要进行成倍的扩大或缩小，这都属于本发明的保护范围。

本发明所产生的有益效果是：

1.本发明所提出的以苯酚为前驱物大量制备无定型碳纳米笼粉体，其特点是以价格低廉、物性低毒的苯酚为前驱物来制备无定型碳纳米笼粉体。

2.本发明所提出的以苯酚为前驱物大量制备无定型碳纳米笼粉体，其特点是制备无定型碳纳米笼粉体的反应过程简单，只需在氩气保护下把苯酚蒸汽通过灼热的氧化镁表面，发生脱氢反应，然后以稀盐酸、蒸馏水清洗氧化镁模板即可得到所需的碳纳米笼粉体。

3、本发明所提出的以苯酚为前驱物大量制备无定型碳纳米笼粉体，其特点是所制备碳纳米笼在制备过程中天然具有较多缺陷，所以产物为无定型结构，这将是许多催化剂粒子的优良载体，因而在电催化、电子学上有较大的应用价值。

附图说明

图1：放置碱式碳酸镁区间的反应温度为750℃，放在炉管上游的苯酚蒸发温度为90℃，维持反应1h，产物经过稀盐酸浸泡2h后，再以蒸馏水多次清洗至滤液为中性，最后所得的碳纳米笼的透射电镜图片。电镜图片显示，碳纳米笼为无定型空心结构，纳米笼的大小为100nm×150nm，纳米笼的壁厚在8nm左右。

图2：为图1中产物的X射线衍射图(XRD)，亦表明产物为无定型结构。

图3：为图1中产物的拉曼(Raman)图，表明产物中含有大量的结构缺陷。

图4：为图1中产物的氮气吸附/脱附曲线以及孔径分布图，显示产物的比表面高达920m²/g，纳米笼的开口孔径为2.6nm，4.9～12.0nm的宽孔径为碳纳米笼的堆积孔。

具体实施方式

本发明所需装置主要由热化学气相沉积系统和过滤装置两部分组成，各部分作用如下：(1)热化学气相沉积系统提供制备场所；(2)过滤装置除去氧化镁模板。

实施例1以反应温度为750℃为例，制备碳纳米笼。

称量10克碱式碳酸镁放入两端开口的石英管中，把石英管转移至管式炉中间；称量1克苯酚放入瓷舟中，把瓷舟转移至管式炉气流上游。以油泵对管式炉抽气至真空，然后充入氩气；以15℃/min的加热速度使得炉管反应区升温至750℃，再加热放置苯酚的区间至90℃，同时维持氩气流速为100sccm；反应维持1h后继续在氩气保护下冷却至室温。把所得产物浸渍在500ml的0.5mol/L的稀盐酸中2h，随后以砂型漏斗过滤，其中以蒸馏水反复冲洗多次，至滤液pH为中性；最后把过滤物在90℃下烘干3h，研磨后称量得到0.24克黑色粉体。经计算可得1克苯酚中的碳原子利用率为31.3％。产物的形貌、结构以及比表面和孔分布等信息如图1、图2、图3和图4所示。

实施例2以反应温度为900℃为例，制备碳纳米笼。

称量10克碱式碳酸镁放入两端开口的石英管中，把石英管转移至管式炉中间；称量1克苯酚放入瓷舟中，把瓷舟转移至管式炉气流上游。以油泵对管式炉抽气至真空，然后充入氩气；以15℃/min的加热速度使得炉管反应区升温至900℃，再加热放置苯酚的区间至90℃，同时维持氩气流速为100sccm；反应维持1h后继续在氩气保护下冷却至室温。把所得产物浸渍在500ml的0.5mol/L的稀盐酸中2h，随后以砂型漏斗过滤，其中以蒸馏水反复冲洗多次；最后把过滤物在90℃下烘干3h，研磨后称量得到0.22克黑色粉体。经计算可得1克苯酚中的碳原子利用率为28.9％。X射线衍射仪、高分辨电镜以及拉曼光谱都表明，在900℃高温下制得的产物亦为无定型碳纳米笼。

Claims (1)

1.一种以苯酚为前驱物大量制备无定型碳纳米笼的方法，其特征在于：它包括下列步骤：

1)以苯酚为碳源，放置在管式炉的气流上端；

2)以碱式碳酸镁为模板，放置在管式炉中间，然后抽出空气充入氩气，使放置碱式碳酸镁处升温至700～1000℃，然后苯酚区间的温度升至80～120℃，脱氢反应30～120分钟；

3)苯酚蒸汽随氩气流以流量为50～100sccm带入反应区，在原位生成内填氧化镁纳米立方体的碳包裹层，形成MgOC结构；

4)以0.1～1mol/L的盐酸浸泡2-3小时后过滤、再以蒸馏水清洗、烘干，即得所需要的无定型碳纳米笼。