CN105481621B - 制备三维石墨烯包覆单粒子纳米金刚石材料的配方及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了制备三维石墨烯包覆单粒子纳米金刚石材料的配方及方法；采用三硝基甲苯、黑索金和金属作为配方原料，并将配方原料制备成含能材料，从而利用高能量来合成三维石墨烯包覆单粒子纳米金刚石材料；本发明的配方应用于含能材料反应法，相对于传统制备过程没有导致成本的大幅度增加，并且可以为三维石墨烯包覆单粒子纳米金刚石材料的形成提供足够的高能量，得到纯度较高的三维石墨烯包覆单粒子纳米金刚石材料。

Description

制备三维石墨烯包覆单粒子纳米金刚石材料的配方及方法

技术领域

本发明涉及化工工艺技术领域，具体涉及一种制备三维石墨烯包覆单粒子纳米金刚石材料的配方及方法。

背景技术

石墨烯是由单层SP²杂化碳原子组成的六方点阵蜂窝状二维结构，其结构稳定，具有优良的导电导热特性、良好的机械特性，因而得到了广泛的研究。石墨烯已经被制备出来并应用在能源存储、透明电极、机械驱动器等领域。为了能够进一步开发石墨烯的潜在应用，尤其在能量存储转化方面，除了二维石墨烯薄膜外，三维石墨烯结构也已经能够制备出来，并且，近年来三维石墨烯包覆氧化物、碳材料等材料开始得到广泛研究，特别是三维石墨烯包覆单粒子纳米金刚石，由于三维石墨烯的包覆，显著提高了被包覆的纳米金刚石材料的导电率，并且结合了石墨烯的优良特性，这些材料的导电性能会显著增加，在催化、电容器、和储能方面也表现出优良的性能，已成为物理和半导体电子研究领域的国际前沿和热点之一。

通常，单粒子纳米金刚石的制备采用热膨胀法、含能材料反应法等方法；由于含能材料反应法制备的单粒子纳米金刚石具有工艺简单和成本低等优点，因此被广泛应用于实际生产中。而含能材料反应法还没有被应用于制备三维石墨烯包覆单粒子纳米金刚石材料的工艺中。因此，如何利用含能材料反应法的优点来制备三维石墨烯包覆单粒子纳米金刚石材料从而使得制备成本低且产量高是十分有意义的。

发明内容

为了克服以上问题，本发明旨在提供一种三维石墨烯包覆单粒子纳米金刚石材料的配方及制备方法，从而达到低成本和高产量的目的。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

本发明提供了一种制备三维石墨烯包覆单粒子纳米金刚石材料的配方，其包括以下原料：三硝基甲苯；黑索金；金属。

优选地，所述原料包括：重量百分比为20-80％的三硝基甲苯；重量百分比为5-60％的黑索金。

优选地，所述金属为一种或多种，每种所述金属的重量百分比为0.5-10％。

优选地，所述金属选自VIII族、IB族IIB族中的一种或多种金属。

优选地，所述金属选自Co、Ni、Fe、Cu、Zn、Al、Ga、In、Tl、Ti、Cr中的一种或多种。

优选地，所述配方所制备的含能材料被压制成球形，所述球形含能材料的密度大于1.8T/M²。

本发明还提供了一种三维石墨烯包覆单粒子纳米金刚石材料的制备方法，采用上述配方，包括以下步骤：

步骤01：根据所述配方制备出含能材料；

步骤02：将含能材料装入反应腔中；

步骤03：反应所述含能材料合成含有三维石墨烯包覆单粒子纳米金刚石材料的产物；

步骤04：对所述产物进行纯化，从而得到纯三维石墨烯包覆单粒子纳米金刚石材料。

优选地，所述步骤01中还包括：将所述含能材料压制成型；且成型的所述含能材料的形状与所述反应设备的反应腔的形状相一致。

优选地，将所述含能材料压制成球形，所述球形的密度大于1.8T/M²。

优选地，成型的所述含能材料的形状与所述反应腔的形状的比例为1:(50-100)。

优选地，所述步骤04中，所述纯化的过程具体包括依次经历磁分离、酸化、氧化、碱化和重液分离过程；或依次经历磁分离、酸化、氧化、碱化、再酸化和重液分离过程。

本发明的制备三维石墨烯包覆单粒子纳米金刚石材料的配方及方法；采用三硝基甲苯、黑索金和金属作为配方原料，并将配方原料制备成含能材料，从而利用高能量来合成三维石墨烯包覆单粒子纳米金刚石材料；本发明的配方，应用于含能材料反应法，相对于制备纳米金刚石材料的过程没有导致成本的大幅度增加，并且可以为三维石墨烯包覆单粒子纳米金刚石材料的形成提供足够的高能量；并且，进一步根据本发明的提纯步骤，包括依次经历磁分离、酸化、氧化、碱化和重液分离过程；或依次经历磁分离、酸化、氧化、碱化、再酸化和重液分离过程，能够得到纯度较高的三维石墨烯包覆单粒子纳米金刚石材料。

具体实施方式

为使本发明的内容更加清楚易懂，以下对本发明的内容作进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。

本发明的制备三维石墨烯包覆单粒子纳米金刚石材料的配方，包括以下原料：三硝基甲苯；黑索金；金属。在一个较佳实施例中，组成所说的配方的原料包括：重量百分比为20-80％的三硝基甲苯；重量百分比为5-60％的黑索金；金属可以为一种或多种，每金属的重量百分比可以为0.5-10％。金属可以选自VIII族、IB族、IIB族中的一种或多种金属；也可以是选自Co、Ni、Fe、Cu、Zn、Al、Ga、In、Tl、Ti、Cr中的一种或多种。并且，在使用该配方制备含能材料时，配方所制备的含能材料被压制成球形，球形含能材料的密度可以大于1.8T/M²。

以下将结合具体实施例对本发明的制备三维石墨烯包覆单粒子纳米金刚石材料的配方和方法作进一步详细说明。

实施例一

本实施例一的制备三维石墨烯包覆单粒子纳米金刚石材料的配方，包括以下原料：

重量百分比为20％的三硝基甲苯；

重量百分比为60％的黑索金；

Al、Ga的各为重量百分比10％。

根据上述配方来制备三维石墨烯包覆单粒子纳米金刚石材料的方法，包括以下步骤：

步骤01：根据配方制备出含能材料；

具体的，首先，取重量百分比为20％的三硝基甲苯；重量百分比为60％的黑索金；Al、Ga的各为重量百分比10％；然后，将上述配好的原料混合在一起进行均匀搅拌混合，例如，可以采用混炼机进行混炼而形成含能材料；接着，将含能材料压制成型；且成型的含能材料的形状与反应设备的反应腔的形状相一致；成型的含能材料的形状与反应腔的形状的比例可以为1:(50-100)，例如，可以为1:70。本实施例中，反应腔为球形，可以将含能材料也压制成球形，且球形的密度可以大于1.8T/M²，例如为2.0T/M²。这里需要说明的是，含能材料可以为炸药、点火药、起爆药等。

步骤02：将含能材料装入反应腔中；

具体的，这里的反应腔可以为含能材料反应容器，为了使含能材料反应产生的游离碳尽量避免氧化，应当将含能材料置于缺氧的环境下，可以采用水环境或惰性气体环境；

例如，首先，将上述压制成球形的含能材料置于盛满水的容器中；然后，将该容器置于含能材料反应容器中。这里需要说明的是，所说的容器可以为一个也可以为多个，容器的材质可以为塑料材质等，容器的形状可以与成型的含能材料的形状相同。

步骤03：触发含能材料合成含有三维石墨烯包覆纳米金刚石材料的产物；

具体的，触发装置可以为雷管，在反应的过程中，本发明的含能材料产生的高温高压环境，可以将反应产生的游离碳在瞬间转化为三维石墨烯包覆单粒子纳米金刚石材料。

步骤04：对产物进行纯化，从而得到纯三维石墨烯包覆单粒子纳米金刚石材料。

具体的，反应后，得到的产物中除了三维石墨烯包覆单粒子纳米金刚石材料之外，还有单粒子纳米金刚石，以及少量的不定形碳，金属杂质等，需要将其去除；去除的过程具体可以包括：依次经历磁分离、酸化、氧化、碱化和重液分离过程。例如，酸化过程在常温常压下进行，可以采用浓度小于25％的稀盐酸，例如，在5-25％之间，在常温常压条件下，酸化时间为1-5个小时；进行酸化过程之后，还包括：对酸化后的混合溶液进行过滤清洗。氧化过程在常温常压下进行，可以采用浓度小于30％的硫酸、浓度小于30％的高锰酸钾、浓度小于40％的双氧水，在常温常压条件下，氧化时间为1-5个小时；在氧化过程之后还包括对氧化后的混合溶液进行过滤清洗。碱化过程在常温常压下进行，可以采用浓度小于40％的氢氧化钠，例如，5-40％，在常温常压条件下，碱化时间为1-5个小时；在碱化过程之后还包括对碱化后的混合溶液进行过滤清洗。重液分离过程可以在常温常压条件下进行，采用高转速离心设备h，比如，自卸式高转速离心机。转速可以为10000-30000转/分钟，时间可以为30-300秒，从而将三维石墨烯包覆单粒子纳米金刚石材料提取出来。

经纯化之后，还可以进行室温红外干燥等过程，最后得到纯度较高的三维石墨烯包覆单粒子纳米金刚石材料。

实施例二

本实施例二的制备三维石墨烯包覆单粒子纳米金刚石材料的配方，包括以下原料：

重量百分比为80％的三硝基甲苯；

重量百分比为5％的黑索金(；

Tl、Ti、Fe的各为重量百分比5％。

根据上述配方来制备三维石墨烯包覆单粒子纳米金刚石材料的方法，包括以下步骤：

步骤11：根据配方制备出含能材料；

具体的，首先，取重量百分比为80％的三硝基甲苯；重量百分比为5％的黑索金；Tl、Ti的各为重量百分比5％；然后，将上述配好的原料混合在一起进行均匀搅拌混合，例如，可以采用混炼机进行混炼而形成含能材料；接着，将含能材料压制成型；且成型的含能材料的形状与反应设备的反应腔的形状相一致；成型的含能材料的形状与反应腔的形状的比例可以为1:(50-100)，例如，可以为1:50。本实施例中，反应腔为球形，可以将含能材料也压制成球形，且球形的密度可以大于1.8T/M²，例如为3.0T/M²。这里需要说明的是，含能材料可以包括炸药、点火药、起爆药等。

步骤12：将含能材料装入反应腔中；

具体的，这里的反应腔可以为含能材料反应容器，为了使反应产生的游离碳尽量避免氧化，应当将含能材料置于缺氧的环境下，可以采用水环境或惰性气体环境；

例如，在反应腔中注入水，将含能材料浸没于反应腔的水中。

步骤13：反应含能材料合成含有三维石墨烯包覆纳米金刚石材料的产物；

具体的，触发装置可以为雷管，在反应的过程中，本发明的含能材料产生的高温高压环境，可以将反应产生的游离碳在瞬间转化为三维石墨烯包覆单粒子纳米金刚石材料。

步骤14：对产物进行纯化，从而得到纯三维石墨烯包覆单粒子纳米金刚石材料。

具体的，反应后，得到的产物中除了三维石墨烯包覆单粒子纳米金刚石之外，还有单粒子纳米金刚石，以及少量的不定形碳，金属杂质等，需要将其去除；去除的过程具体可以包括：依次经历磁分离、酸化、氧化、碱化、再酸化和重液分离过程。这里的酸化、氧化、碱化和再酸化过程可以分别包括一次或多次酸化处理、氧化处理、碱化处理和再酸化处理。酸化、氧化、碱化和重液分离的过程可以参阅实施例一；再酸化过程在常温常压下，可以采用浓度小于15％的稀盐酸，在常温常压条件下，再酸化时间为1-5个小时；再酸化过程后还可以进行过滤清洗过程。

经纯化之后，还可以进行室温红外干燥等过程，最后得到纯度较高的三维石墨烯包覆单粒子纳米金刚石材料。

实施例三

本实施例三的制备三维石墨烯包覆单粒子纳米金刚石材料的配方，包括以下原料：

重量百分比为50％的三硝基甲苯；

重量百分比为39.5％的黑索金；

Co、Ni、Fe、Cu、Zn、Al、Ga、In、Tl、Ti、Cr的各为重量百分比0.5％。

根据上述配方来制备三维石墨烯包覆单粒子纳米金刚石材料的方法，包括以下步骤：

步骤21：根据配方制备出含能材料；

具体的，首先，取重量百分比为50％的三硝基甲苯；重量百分比为39.5％的黑索金；Co、Ni、Fe、Cu、Zn、Al、Ga、In、Tl、Ti、Cr的各为重量百分比0.5％；然后，将上述配好的原料混合在一起进行均匀搅拌混合，例如，可以采用混炼机进行混炼而形成含能材料；接着，将含能材料压制成型；且成型的含能材料的形状与反应设备的反应腔的形状相一致；成型的含能材料的形状与反应腔的形状的比例可以为1:(50-100)，例如，可以为1:100。本实施例中，反应腔为球形，可以将含能材料也压制成球形，且球形的密度可以大于1.8T/M²，例如为5.0T/M²。这里需要说明的是，含能材料可以包括炸药、点火药、起爆药等。

步骤22：将含能材料装入含能反应容器中；

具体的，这里的含能反应容器可以为密闭容器，为了使反应产生的游离碳尽量避免氧化，应当将含能材料置于缺氧的环境下，可以采用水环境或惰性气体环境；

例如，首先，将上述压制成球形的含能材料置于盛满水的容器中；然后，将该容器置于含能反应容器中。这里需要说明的是，所说的容器可以为一个也可以为多个，容器的材质可以为塑料材质等，容器的形状可以与成型的含能材料的形状相同。

再例如，在塑料袋中注入水，将含能材料浸没于塑料袋的水中。

步骤23：触发含能材料进行反应，合成含有三维石墨烯包覆单粒子纳米金刚石的产物；

具体的，触发器可以为雷管，在反应的过程中，本发明的含能材料产生的高温高压环境，可以将反应产生的游离碳在瞬间转化为三维石墨烯包覆单粒子纳米金刚石。

步骤24：对产物进行提纯，从而得到纯三维石墨烯包覆单粒子纳米金刚石。

具体的，反应后，得到的产物中除了三维石墨烯包覆单粒子纳米金刚石之外，还有单粒子纳米金刚石，以及少量的不定形碳，金属杂质等，需要将其去除；去除的过程具体可以包括：依次经历磁分离、酸化、氧化、碱化和重液分离过程；或依次经历磁分离、酸化、氧化、碱化、再酸化和重液分离过程。这里的酸化、氧化、碱化和再酸化过程可以分别包括一次或多次酸化处理、氧化处理、碱化处理和再酸化处理。酸化、氧化、碱化、再酸化和重液分离的过程可以参阅实施例一或实施例二，这里不再赘述。

经提纯之后，还可以进行室温红外干燥等过程，最后得到纯度较高的三维石墨烯包覆单粒子纳米金刚石材料。

综上所述，本发明的制备三维石墨烯包覆单粒子纳米金刚石的配方及方法，采用三硝基甲苯、黑索金和金属作为配方原料，并将配方原料制备成含能材料，从而利用高能量来合成三维石墨烯包覆单粒子纳米金刚石；本发明的配方，应用于含能材料反应法，相对于传统制备过程没有导致成本的大幅度增加，并且可以为三维石墨烯单粒子纳米金刚石的形成提供足够的高能量。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然所述实施例仅为了便于说明而举例而已，并非用以限定本发明，本领域的技术人员在不脱离本发明精神和范围的前提下可作若干的更动与润饰，本发明所主张的保护范围应以权利要求书所述为准。

Claims (7)

1.一种制备三维石墨烯包覆单粒子纳米金刚石材料的配方，其特征在于，其包括以下原料：三硝基甲苯；黑索金；金属，所述金属选自Co、Ni、Fe、Cu、Zn、Al、Ga、In、Tl、Ti、Cr中的一种或多种；所述原料包括：重量百分比为20-80％的三硝基甲苯；重量百分比为5-60％的黑索金；所述金属为一种或多种，每种所述金属的重量百分比为0.5-10％，所述三硝基甲苯、黑索金和所述金属的总重量百分比不超过100％。

2.一种根据权利要求1所述的配方制备得到的含能材料，其特征在于，所述含能材料用于制备三维石墨烯包覆单粒子纳米金刚石材料；所述配方所制备的含能材料被压制成球形，所述球形含能材料的密度大于1.8T/M²。

3.一种三维石墨烯包覆单粒子纳米金刚石材料的制备方法，其特征在于，采用权利要求1所述的配方，包括以下步骤：

步骤01：根据所述配方制备出含能材料；

步骤02：将含能材料装入反应腔中；含能材料置于缺氧的环境下；

步骤03：反应所述含能材料合成含有三维石墨烯包覆单粒子纳米金刚石材料的产物；

步骤04：对所述产物进行纯化，从而得到纯三维石墨烯包覆单粒子纳米金刚石材料。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤01中还包括：将所述含能材料压制成型；且成型的所述含能材料的形状与所述反应设备的反应腔的形状相一致。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，将所述含能材料压制成球形，所述球形的密度大于1.8T/M²。

6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，成型的所述含能材料的形状与所述反应腔的形状的比例为1:(50-100)。

7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤04中，所述纯化的具体过程包括依次经历磁分离、酸化、氧化、碱化和重液分离过程；或依次经历磁分离、酸化、氧化、碱化、再酸化和重液分离过程。