CN105439123B - 一种制备碳纳米颗粒的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超级碳纳米材料的制备方法。制备过程包括：将碳材料转移到浓度为0.3~2 mol/L的碱溶液中，在70~100℃下加热1~3h,之后自然冷却至室温，过滤，用蒸馏水冲洗3~5次，自然晾干；将金属氧化物与上述碱液处理后的碳材料按物质的量比为1：（1~5）称取，混合后，加入体积为干态混合物体积1~3倍的蒸馏水，研磨5~30 min，之后，自然晾干；将上述样品转移至容器中，再加入体积为样品体积的5~10倍的蒸馏水，在功率为80~100W的超声仪中超声3~7 h，过滤，自然晾干，即得到超级碳纳米颗粒材料。本发明工艺简单、生产成本低、绿色环保，所制备的粒径2纳米左右晶型完好的碳纳米颗粒材料，有望成为一种新的催化剂载体、锂电负极与蓄电池碳掺杂剂材料。

Description

一种制备碳纳米颗粒的方法
技术领域
本发明涉及一种制备纳米颗粒的方法，特别是一种制备碳纳米颗粒的方法，属于材料技术领域。
背景技术
碳纳米材料，因其具有导电性高、比表面积大、化学性能稳定等出色的物理和化学性质，在催化剂载体、锂电负极材料以及蓄电池的掺杂剂等方面都具有重要的应用价值。而超级碳纳米材料通常是指粒径5纳米以下的碳纳米材料。近期的研究发现超级碳纳米材料具有特殊的荧光性能、高的生物相容性以及特别的量子点效应等许多意想不到的性能，在生物传感器、微电子器件等方面具有潜在的应用价值。因此制备超级碳纳米材料，即制备尺度在5纳米以下的碳材料，已成为目前的研究热点问题之一。现有技术中，制备碳纳米材料的方法很多，如气相法、化学处理法、催化热解法等。但上述制备方法大多存在工艺复杂、成本高等多方面的不足，而且利用目前方法所制备的碳纳米材料的粒径多在10纳米以上。因此开发新的制备超级碳纳米材料的方法成为科研工作者的重要攻关课题之一。
发明内容
本发明的目的，在于提供碱处理后，在研磨和超声的条件下，制备出碳纳米颗粒的一种方法。
以碳材料为前驱体制备碳纳米材料是目前普遍使用的制备碳纳米材料的方法之一。人们通常对碳材料进行化学氧化和强酸的处理，以期望在改善碳材料性能的同时，得到碳纳米材料。而本发明的目的是这样实现的，将一种碳材料在一定的条件下与碱液共煮一段时间后，再将碱处理过的碳材料与金属氧化物研磨一段时间，之后再将研磨处理后的混合物材料在水溶液中超声，就可得到碳纳米颗粒。结果显示，按此方法所制备的碳纳米颗粒，其有效直径可控制在2nm左右，从而提高了碳的比表面积，为拓展碳材料的应用提供了可能。
具体的说，本专利发明的一种制备碳纳米颗粒的方法，包括以下步骤：
（1）碳材料的碱液处理
将0.2~1.5g的碳材料转移到浓度为0.3~2 mol/L的碱溶液中，在70~100℃温度下加热共煮1~3h,之后自然冷却至室温，过滤，用蒸馏水冲洗3~5次，自然晾干；
（2）碳材料的研磨处理
按物质的量比为1：（1~5）称取金属氧化物和经步骤（1）碱液处理后的碳材料，将二者干混后，加入体积为干态混合物体积1~3倍的蒸馏水，研磨5~30 min，之后，自然晾干；
（3）碳材料的超声处理
将步骤（2）得到的样品转移至容器中，再加入样品体积5~10倍的蒸馏水，在功率为80~100W的超声仪中超声3~7 h，过滤，自然晾干，即得到碳纳米颗粒。
所得碳纳米颗粒粒径在2纳米左右。
本发明的方法，原料中的碳材料选自炭黑、乙炔黑、石墨、石墨烯、碳纳米管中的一种或几种的任意混合物。
本发明的方法，碱溶液选自氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钡中的一种。
本发明的方法，金属氧化物选自氧化钙、氧化钯、氧化铅、氧化锌中的一种。
本发明取得的有益效果如下：本发明的制备方法工艺简单、绿色环保、成本低。可制备出粒径在2纳米左右的碳纳米颗粒。
附图说明
图1为利用本发明的方法制备的碳纳米颗粒的XRD图谱。
图2为利用本发明的方法制备的碳纳米颗粒的TEM照片。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明。
实施例1
将0.5g的石墨烯转移到浓度为1mol/L的KOH溶液中，在80℃下加热2 h,之后自然冷却至室温，过滤，用蒸馏水冲洗3次，自然晾干；将3 mg CaO与2 mg石墨烯混合后，加入1mL蒸馏水，研磨10 min，之后，自然晾干；将得到的样品转移至容器中，再加5mL的蒸馏水，在功率为80W的超声仪中超声5 h，过滤，自然晾干，即得到超级碳纳米颗粒。
图1为实施例1所制备的碳纳米颗粒的XRD谱图。图中出现尖锐的C的(0 0 2)晶面和C(0 0 4)晶面的衍射峰，且无其他杂峰出现。说明所制备的碳纳米材料晶体结构完好，具有很高的结晶度。
图2为实施例1所制备的碳纳米材料样品的TEM照片，可以看到，所制备的碳纳米颗粒粒径在2纳米左右，且粒径大小均一，分布均匀。此碳纳米颗粒的粒径远小于市售碳纳米材料的粒径。在负载量相同的情况下，选用本碳纳米颗粒可有效提高碳材料的表面积，进而显著改善碳材料的性能。
实施例2
将1.0g的炭黑和石墨烯的混合物移到浓度为1.5 mol/L的KOH溶液中，在95℃下加热3 h,之后自然冷却至室温，过滤，用蒸馏水冲洗4次，自然晾干；将5 mg PdO与2 mg碳混合物混合后，加入1.5 mL蒸馏水，研磨10 min，之后，自然晾干；将得到的样品转移至容器中，再加4.5 mL的蒸馏水，在功率为80W的超声仪中超声4.5 h，过滤，自然晾干，即得到超级碳纳米颗粒。所得碳纳米颗粒粒径在2纳米左右。
实施例3
将1.2g的乙炔黑移到浓度为0.5 mol/L的NaOH溶液中，在75℃下加热3 h,之后自然冷却至室温，过滤，用蒸馏水冲洗5次，自然晾干；将5 mg PdO与2 mg处理过的乙炔黑混合，之后加入1.8 mL蒸馏水，研磨15 min，之后，自然晾干；将得到的样品转移至容器中，再3.0 mL的蒸馏水，在功率为90W的超声仪中超声6 h，过滤，自然晾干，即得到超级碳纳米颗粒。所制备的碳纳米颗粒粒径在2纳米左右。
实施例4
将0.2g的石墨移到浓度为0.8 mol/L的NaOH溶液中，在90℃下加热4 h,之后自然冷却至室温，过滤，用蒸馏水冲洗3次，自然晾干；将5 mg PbO与2 mg处理过的石墨混合，之后加入2.0 mL蒸馏水，研磨20 min，之后，自然晾干；将得到的样品转移至容器中，再加4.0mL的蒸馏水，在功率为100W的超声仪中超声5 h，过滤，自然晾干，即得到超级碳纳米颗粒。所得碳纳米颗粒粒径在2纳米左右。
实施例5
将1.2g的石墨移到浓度为1.2 mol/L的Ba(OH)2溶液中，在95℃下加热4 h,之后自然冷却至室温，过滤，用蒸馏水冲洗3次，自然晾干；将5 mg ZnO与2.5 mg处理过的石墨混合，之后加入1.5 mL蒸馏水，研磨25 min，之后，自然晾干；将得到的样品转移至容器中，再加5.0 mL的蒸馏水，在功率为100W的超声仪中超声6 h，过滤，自然晾干，即得到超级碳纳米颗粒。所得碳纳米颗粒粒径在2纳米左右。
实施例6
将0.9 g的碳纳米管移到浓度为1.0 mol/L的Ba(OH)2溶液中，在90℃下加热4.5h,之后自然冷却至室温，过滤，用蒸馏水冲洗5次，自然晾干；将5 mg PbO与1 mg处理过的碳纳米管混合，之后再加入2.0 mL蒸馏水，研磨15 min，之后，自然晾干；将得到的样品转移至容器中，再加5.0 mL的蒸馏水，在功率为100W的超声仪中超声5 h，过滤，自然晾干，即得到超级碳纳米颗粒。所制备的碳纳米颗粒粒径在2纳米左右。

Claims (3)

1.一种制备碳纳米颗粒的方法，包括以下步骤：
（1）碳材料的碱液处理
将0.2~1.5g的碳材料转移到浓度为0.3~2 mol/L的碱溶液中，在70~100℃温度下加热共煮1~3h,之后自然冷却至室温，过滤，用蒸馏水冲洗3~5次，自然晾干；
其中，碳材料选自乙炔黑、石墨烯、碳纳米管中的一种或几种的任意混合物；
（2）碳材料的研磨处理
按物质的量比为1：（1~5）称取金属氧化物和经步骤（1）碱液处理后的碳材料，将二者干混后，加入体积为干态混合物体积1~3倍的蒸馏水，研磨5~30 min，之后，自然晾干；
（3）碳材料的超声处理
将步骤（2）得到的样品转移至容器中，再加入样品体积5~10倍的蒸馏水，在功率为80~100W的超声仪中超声3~7 h，过滤，自然晾干，得到碳纳米颗粒。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：碱溶液选自氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钡中的一种。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：金属氧化物选自氧化钙、氧化钯、氧化铅、氧化锌中的一种。
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