CN104591855A

CN104591855A - 制备用于肥料的纳米碳粉的方法

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Publication number: CN104591855A
Application number: CN201310526681.0A
Authority: CN
Inventors: 刘广安
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-10-31
Filing date: 2013-10-31
Publication date: 2015-05-06
Anticipated expiration: 2033-10-31
Also published as: CN104591855B

Abstract

本发明涉及一种制备用于肥料的纳米碳粉的方法，包括：提供包含阳极、阴极和隔板以及电解质水溶液的体系，其中所述阳极、阴极和隔板均为高纯石墨；将所述阳极和所述阴极与一个脉冲频率为40到60Hz、有效电压为12V到20V的脉冲电源相连接从而得到纳米碳溶胶，其中所述阳极和所述阴极之间的有效电流密度为50A／m²到100A／m²；向所述纳米碳溶胶中加入占所述纳米碳溶胶总重量0.3-1重量％的含钾化合物从而得到含有钾离子的纳米碳凝胶；以及将所述含有钾离子的纳米碳凝胶干燥，得到所述纳米碳粉。本发明的制备方法可以通过调整电压和电流控制纳米碳粉的粒径和产率使其适合用于肥料的工业化生产。

Description

制备用于肥料的纳米碳粉的方法

技术领域

本发明涉及纳米材料的制备方法，尤其是涉及电极法制备纳米碳溶胶进而制备纳米碳粉的方法。

背景技术

纳米材料是指构成材料的组成物的空间尺寸至少有一维处于纳米尺度(0.1nm—100nm)范围的材料，纳米材料因其空间尺寸极小，因而比表面积大，体系表面能极高而具有许多普通尺寸材料所不具有的特殊性能，从而受到科技界的广泛重视，纳米材料的制备和应用技术，成为二十一世纪材料研究的一项新内容。

大量研究表明，碳处于纳米尺度范围时，具有许多常规尺寸碳材料所不具有的特殊性能。其广泛应用于电发热材料、电池制造业、磁性记录材料、农业、航空、航天等领域，用途十分广泛，是纳米材料研究中的亮点。但是，由于碳是处于半金属状态的元素，在纳米状态时具有强烈的选择吸附性，且带有负电性，极易发生团聚，使纳米碳的制造十分困难。

采用碳材料的电极作为阳极，并将该电极浸没在水性液态介质中，通上直流电，进行电解，在该体系中便能产生碳胶体的沉积。由此，可以制备碳的胶体溶液。这种方法在JP7008790中已有报道。JP2000086220公开了一种通过在超声环境中电解氧化在水中的碳电极，来得到超微细碳颗粒溶胶液体的方法。JP10006504也提供一种由碳材料构成的电极浸在用于电解的水基液态介质中，来产生粉末状碳的分散液的方法。该文献报道该方法生产的粉末状碳的分散体具有小的粒度和均匀的颗粒直径。

CN1378975A公开了一种用双石墨电极制备纳米石墨碳溶胶的方法，其具体公开的是，将石墨按正、负极排列放入氧化槽中，正、负极之间用塑料网隔开，电极与电源的连接采用串并联方式，再将电解液倒入氧化槽内，接通电源，电流控制在5-150A，电压控制在3-20V，进行氧化处理，控制温度在80℃以下，每隔4-12小时搅拌一次，检测槽内石墨碳浓度，溶胶浓度为0.1-5％时，氧化结束，槽中的溶液即为纳米石墨碳溶胶。该文献还提及了电解液可以用硫酸、盐酸、硝酸，碳酸钠、氯化钠，氢氧化钾、氢氧化钠、氢氧化锂，可单独加入，也可以混合加入，加入量控制在电解液重量的5％以下。本发明的发明人在重复了CN1378975A的方法后发现，采用该方法制备石墨溶胶的效率比较低，一般来说，要获得溶胶浓度在0.5％左右的石墨碳溶胶，需要20天甚至更长的时间。并且，当采用该方法中的较高电流和电压时，无法得到纳米尺寸的石墨溶胶。

采用这些方法获得的碳溶胶，可以作为电池的活化剂、水循环系统管道的防锈剂和促进植物的发芽和生长的试剂。但是，在这些已知的方法中，所得到的超细碳颗粒溶胶中的碳颗粒会重新团聚起来。并且，虽然有可能获得溶胶形式存在的纳米级碳颗粒，但无法从超细碳颗粒溶胶来制备超细碳颗粒，其原因是如果通过干燥来分离碳颗粒，这些颗粒又会重新团聚起来，导致其无法以纳米碳颗粒的形式进行实际应用。

在专利CN1294078C和专利CN1294079C中，虽然得到了纳米碳溶胶和纳米碳颗粒，但是其发明目的在于获得粒径尽可能小的纳米碳颗粒，而并未考虑将其针对性地应用于肥料的工业生产中。

因此，存在对于能够应用于肥料的工业生产的纳米碳颗粒的需要。

发明内容

本发明的目的是要提供一种适合于大规模工业化生产的，高效率地制备高质量的应用于肥料的纳米碳粉的方法。

本发明的一个方面提供一种制备用于肥料的纳米碳粉的方法，包括：

提供包含阳极、阴极和隔板以及电解质水溶液的体系，其中所述阳极、阴极和隔板均为高纯石墨；

将所述阳极和所述阴极与一个脉冲频率为40到60Hz、有效电压为12V到20V的脉冲电源相连接从而得到纳米碳溶胶，其中所述阳极和所述阴极之间的有效电流密度为50A／m²到100A／m²；

向所述纳米碳溶胶中加入占所述纳米碳溶胶总重量0.3-1重量％的含钾化合物从而得到含有钾离子的纳米碳凝胶；以及

将所述含有钾离子的纳米碳凝胶干燥，得到所述纳米碳粉。

在一些实施方案中，所述阳极和所述阴极之间相对面的距离为30-70mm。

在一些实施方案中，所述电解质水溶液中电解质的浓度为所述电解质水溶液总重量的0.05％到0.07％。

在一些实施方案中，所述电解质水溶液为包括氯化钠的水溶液。

在一些实施方案中，所述高纯石墨的纯度在99％以上。

在一些实施方案中，作为所述阳极和所述阴极的所述高纯石墨的厚度为20到50mm，作为所述隔板的所述高纯石墨的厚度为15到30mm。

在一些实施方案中，所述有效电压为12V到15V，所述有效电流密度为60A／m²到80A／m²。

在一些实施方案中，所述阳极和所述阴极与所述脉冲电源连接的时间持续100到150小时。

在一些实施方案中，所述纳米碳溶胶中碳的含量为0.3-0.7重量％。

在一些实施方案中，所述含钾化合物的加入量为所述纳米碳溶胶总重量的0.3重量％到0.7重量％。

在一些实施方案中，所述含钾化合物的加入量为所述纳米碳溶胶总重量的0.3重量％到0.5重量％。

在一些实施方案中，所述含钾化合物的加入量为所述纳米碳溶胶总重量的0.5重量％。

在一些实施方案中，所述含钾化合物为KCl或KH₂PO₄。

在一些实施方案中，所述含钾化合物的加入是将所述含钾化合物的晶体加入到所述纳米碳溶胶中。

在一些实施方案中，所述干燥是在90-150℃下、通过喷雾干燥进行的。

本发明的采用脉冲法制备纳米碳溶胶的原理如图1所示。其中，将高纯石墨碳材料制成阳极1、阴极2和隔板6。阳极1和阴极2的大小根据制备槽3的大小而定，一般电极离制备槽3有一定的距离，如保留15-20mm的空间。一般情况下，阳极1和阴极2的大小相同，二者石墨板的厚度可以为20-50mm，而隔板的石墨板的厚度为15-30mm。将电极放在制备槽3中，制备槽3内有电解质水溶液4，阳极1和阴极2分别连接到脉冲电源5的正、负端上。隔板6放置在阴极2和阳极1之间，与二者的距离基本上相等，隔板并不阻碍电解质溶液的流体连通。隔板6的使用使得电解系统节电约30％。

将脉冲电源5加载在由阳极1、阴极2以及电解质水溶液4所构成的负载上。脉冲电源5采用现有技术中已知的脉冲发生装置，如可以采用变压器将220V交流电变压至所需的电压，通过整流电路产生脉冲电压，再经过变频电路，将脉冲电压的频率T调整到本发明所需的频率，即40-60Hz。所得到的脉冲电压可以如图2所示。

为了防止短路，制备槽3采用绝缘材料制成，制备槽3的大小，可根据电极的大小确定，制备槽3的开头为矩形。

阳极石墨电极1在交流脉冲电流的作用下获得能量，当石墨电极1上的部分碳原子获得的能量达到足以克服石墨碳原子间相互作用力时，激离到电解液中。

在制备纳米石墨碳溶胶的过程中，电压越高，石墨碳在电极上获得的能量越大，因此，有可能更多的石墨碳原子同时获得离开电极形成激离的碳颗粒，但形成的纳米碳颗粒的颗粒度就会增大。所以，电压大小是控制纳米碳颗粒尺寸大小的重要参数。而电解过程中的电流大小则与纳米碳颗粒的产量密切相关，电流越大，产量越高。

研究表明，本发明所采用的脉冲法制备纳米碳溶胶体系需要的有效电压在12-20V，优选在12-15V，通过调节电解质水溶液中电解质的浓度，可以对体系的电阻进行调节，由此，可以将极板之间的有效电流密度控制在50-100A／m²，优选在60-80A／m²。电压大小可以根据所需纳米石墨碳颗粒的粒度来定，粒度越大，电压相应也越大，反之越小。交流脉冲电源5的电压脉冲波可以如图2所示，也可以是其他形式的脉冲电压，其脉冲频率要求在40-60Hz。

选择电解质溶液，一方面是使阴、阳极电极之间可以导通，形成闭合的回路，另一个重要的方面是，可以提供形成纳米石墨碳颗粒表面双电层的负离子。由于激离到电解质溶液中的纳米石墨碳颗粒具有强烈的选择吸附性，它们会选择电解质溶液中的负离子吸附，使负离子向纳米碳颗粒聚集，这时，纳米石墨碳颗粒呈负电性，由于纳米碳颗粒都带有负电性，又因为同种电荷相斥的作用，使纳米碳颗粒相互排斥而不发生团聚，即双电层效应，结果使得纳米碳颗粒稳定地存在于溶液中，形成稳定的纳米碳溶胶。

为了保证纳米石墨碳溶胶的纯度，电解质溶液采用去离子水配制，电解质溶液中加入的电解质采用强电解质物质，可以在电解质水溶液中添加NaCl。电解质的加入量可以按照所需要调到的电阻来决定，一般情况下，电解质的加入量为电解质水溶液总重量的0.05％到0.07％。

按照本发明的方法，纳米碳颗粒度在50nm以下，溶胶的稳定性好，存放数年也不会发生沉淀或分层；并且，溶胶的分散性好，可以用去离子水任意稀释；进一步的分析表明，所得到的纳米碳颗粒的形态为单分散体状，纳米碳颗粒表面呈双电层状态。

本发明方法的工艺简单，生产成本低，无工业污染。本方法可以在3到7天的时间内，得到石墨浓度为0.3-0.7重量％的石墨纳米碳溶胶。

将含钾化合物，在常温下，以含钾化合物占所述溶胶总重量为0.3-1重量％的比例加入纳米石墨碳溶胶中得到含有钾离子的纳米碳凝胶，将所得到的含有钾离子的纳米碳凝胶干燥，干燥时控制温度在90-150℃，从而得到纳米碳粉。当在纳米碳溶胶中加入含钾化合物时，溶胶中的钾离子带有正电荷，而纳米碳溶胶带有负电荷，两者会吸附在一起，从而形成包括钾离子和纳米碳的颗粒(参见图3)，即为纳米碳粉。由于纳米碳吸附在钾离子上，从而使得纳米碳彼此之间在干燥之后也不互相团聚。

检测表明，当纳米碳溶胶中大部分的纳米碳的粒径在50nm以下时，通过上述方法得到的纳米碳粉(即包括钾离子和纳米碳的颗粒)中的大部分具有400nm左右的粒径。

通过本发明的方法，可以从利用石墨阳极的水电解反应获得的碳溶胶中获得纳米级的碳粉，通过不断优化电解方法，如改进电解体系中的电解质、电解电压和电流，可以得到不同粒径分布的纳米碳溶胶。本发明人已经研究发现在电解体系中的电压越高，纳米碳颗粒的粒径就越大，而电流越大则纳米碳颗粒的产率就越高。在肥料应用中，并不是纳米碳颗粒的粒径越小效果越好，因此，本发明的电解体系的电压、电流密度以及脉冲周期均可控，并且被调整以使所获得纳米碳粉的粒径与产率均适合于肥料的工业化生产。

研究发现，采用本发明的方法，在整个电解过程中，由于石墨碳溶胶浓度不断增大，体系的电阻增加。在整个制备过程中，其电阻可能缓慢增加至初始电阻值的120-150％，造成电流密度降低。由于本发明的方法可以在较宽的电流密度范围内实施，因此，只要电阻变化所导致的电流密度变化仍然在本发明规定的范围内，可以不对体系的电流密度进行调整。但是，本领域的技术人员可以理解，通过采用电解方法中常用的控制电流的电路，或者，通过对体系的电阻进行调整，仍然可以对电流密度的变化进行控制。

在纳米碳溶胶中加入的含钾化合物使得纳米碳溶胶迅速变为纳米碳凝胶，并且由于纳米碳均吸附在钾离子上，从而使得纳米碳彼此之间不团聚。相较于专利CN1294079C中的木质素磺酸盐，含钾化合物能够使得所得到的纳米碳粉能够直接应用于各种肥料中，并且同时提高肥料中的钾含量。此外含钾化合物能使纳米碳溶胶迅速变为纳米碳凝胶，而木质素磺酸盐仅能分散纳米碳，并不能使纳米碳形成凝胶，这会大大降低干燥效率，最高会降低50％以上。

采用本发明方法获得的纳米碳粉可以应用于各种肥料中，由此可以使得在减少施肥量的同时进一步提高农作物产量。

下面结合附图和具体实施方案对本发明作进一步说明。

附图说明

图1是本发明的采用脉冲法制备纳米碳溶胶的示意图；

图2是脉冲电源的脉冲电压波示意图；

图3是按照本发明方法制备的纳米碳粉的示意图；

图4为按照本发明方法得到的纳米碳粉的电镜扫描图。

具体实施方式

实施例

实施例1

取3块高纯石墨碳板(300mm×300mm×30mm，市售)分别作为阳极1、阴极2和隔板6，按照图1构成系统，阳极1与阴极2相对面的距离为50mm，隔板6与阳极1、阴极2等间距设置。脉冲电源5产生如图2所示的脉冲电压，脉冲频率为50Hz，有效电压为12V-15V。

在去离子水中加入氯化钠，调节溶液的电阻，使得当脉冲电压的有效值为12V时，体系的电流为30A。

加载脉冲电压5天，得到纳米碳溶胶，溶胶浓度约为0.5重量％。

取获得的纳米碳溶胶1千克。将5克KH₂PO₄晶体在常温下加入上述的纳米碳溶胶中，混合均匀，从而得到含钾离子的纳米碳凝胶。将含钾离子的纳米碳凝胶送入干燥机中喷雾干燥，控制其温度在100℃左右，得到约10克纳米碳粉。

实施例2

在去离子水中加入氯化钠，调节溶液的电阻，使得当脉冲电压的有效值为12V时，体系的电流为20A。

加载脉冲电压5天，得到纳米碳溶胶，溶胶浓度约为0.3重量％。

取获得的纳米碳溶胶1千克。将3克KH₂PO₄晶体在常温下加入上述的纳米碳溶胶中，混合均匀，从而得到含钾离子的纳米碳凝胶。将含钾离子的纳米碳凝胶送入干燥机中喷雾干燥，控制其温度在100℃左右，得到约6克纳米碳粉。

测试例

将实施例1中所得到的纳米碳粉进行电镜测试。

采用扫描电镜观察样品的形貌和颗粒大小，测定结果如下：

样品分散后的大部分形貌为颗粒状，其中大部分纳米碳的直径为30-50nm，而包括钾离子和纳米碳的颗粒的粒径为400nm左右。样品的电镜扫描图如图4所示。

分别将实施例1和2制备的纳米碳粉样品在干燥器中长期保存，测试表明，纳米碳颗粒之间没有团聚现象发生。

实施例3

将实施例1制备的纳米碳粉以0.3重量％的比例加入到尿素氮肥中，混合均匀后即可得到纳米碳肥料。将所获得的纳米碳肥料应用于大田水稻种植中，与施加未包括纳米碳的普通尿素氮肥相比，纳米碳肥料的施肥量仅需原施肥量的70％，而水稻产量却提高了5％-15％。

由此可见，以本发明的方法制备的纳米碳粉可以应用于各种肥料中，由此可以使得肥料的施肥量降低的同时进一步提高农作物的产量。

本发明的实施方式并不局限于上述说明，在不背离本发明意图的基础上所进行的改进和变化也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种制备用于肥料的纳米碳粉的方法，包括：

将所述含有钾离子的纳米碳凝胶干燥，得到所述纳米碳粉。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述阳极和所述阴极相对面之间的距离为30-70mm。

3.如权利要求1所述的方法，其中，所述电解质水溶液中电解质的浓度为所述电解质水溶液总重量的0.05％到0.07％。

4.如权利要求1所述的方法，其中，所述电解质水溶液为包括氯化钠的水溶液。

5.如权利要求1所述的方法，其中，所述高纯石墨的纯度在99％以上。

6.如权利要求5所述的方法，其中，作为所述阳极和所述阴极的所述高纯石墨的厚度为20到50mm，作为所述隔板的所述高纯石墨的厚度为15到30mm。

7.如权利要求1所述的方法，其中，所述有效电压为12V到15V，所述有效电流密度为60A／m²到80A／m²。

8.如权利要求1所述的方法，其中，所述阳极和所述阴极与所述脉冲电源连接的时间持续100到150小时。

9.如权利要求1所述的方法，其中，所述纳米碳溶胶中碳的含量为0.3-0.7重量％。

10.如权利要求1所述的方法，其中，所述含钾化合物的加入量为所述纳米碳溶胶总重量的0.3重量％到0.7重量％。

11.如权利要求1所述的方法，其中，所述含钾化合物的加入量为所述纳米碳溶胶总重量的0.3重量％到0.5重量％。

12.如权利要求1所述的方法，其中，所述含钾化合物的加入量为所述纳米碳溶胶总重量的0.5重量％。

13.如权利要求1所述的方法，其中，所述含钾化合物为KCl或KH₂PO₄。

14.如权利要求1所述的方法，其中，所述含钾化合物的加入是将所述含钾化合物的晶体加入到所述纳米碳溶胶中。

15.如权利要求1所述的方法，其中，所述干燥是在90-150℃下、通过喷雾干燥进行的。