CN107352525A - 一种简单制备纳米空心炭球的方法 - Google Patents

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柳逸凡
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Abstract

发明公开了一种简单制备纳米空心炭球的方法，即以不同型号的炭黑为原料，在空气气氛下，在马弗炉中保温一段时间后，所得产物即为纳米空心炭球。根据原料的不同，炭球的直径在50‑200nm之间，表面呈现各向异性，并保留原料的结构。该方法工艺简单，成本低廉，并且可大量制备空心炭球。所得到的空心炭球可以用于储能及导电复合材料等领域。

Description

一种简单制备纳米空心炭球的方法
技术领域
本发明涉及纳米材料的制备领域，可以制备得到不同粒径，不同壁厚以及不同结构度的纳米空心炭球。
背景技术
富勒烯、炭纳米管的相继被发现，引起了人们对中空结构的碳材料的高度关注。其中，空心纳米炭球由于其独特的结构，良好的导电性，较高的比表面积，较好的化学稳定性，在储能[Flandrois S, et al. Carbon, 1999, 37(2): 165-180]、气体存储、药物运输[Huang H Y, et al. J Am Chem Soc, 1999, 121(15): 3805-3806]、催化剂载体等领域有巨大的应用潜力。
常用的制备纳米空心炭球的方法有水热法和化学气相沉积法。水热法是采用密闭的容器，以水为溶剂，在高温高压的条件下反应。水热法的优点在于，粒子的纯度高，分散性好，形貌可控。化学气相沉积法是利用原料气体，经过催化之后形成初级粒子，再经过成核和生长两个阶段，得到炭固体材料。Zou GF等通过直接热解二茂铁，反应时间1h，得到粒径50-150nm，壁厚约15nm的纳米空心炭球[Zou GF, et al. Solid State Communications, 2004, 131(12): 749-752]。在以往的实验过程中，人们发现，可以以炭黑为原料，通过液相氧化法，也可以得到空心炭球[G. Kaye. Carbon, 1965, 2(4): 413-419]，所得到的纳米空心炭球表面为各向异性。以不同的炭黑为原料，可以得到不同尺寸和不同结构的纳米空心炭球。液相氧化法最初用于炭黑的表面氧化改性，，硝酸、高锰酸钾、氯酸钠、双氧水等均可以对炭黑进行不同程度的氧化。Kamegwa等，以一种炉法炭黑SEAST300和乙炔炭黑为原料，在浓硝酸中加热，控制反应时间，得到空心炭球[Kamegawa, et al. Carbon, 1998, 36(4): 433-441.]。
上述方法中，水热法产量较小，对设备要求高，技术难度大，安全性能较差。化学气相法对于颗粒的形貌和尺寸无法控制。液相氧化法，条件控制苛刻，危险性大，同时所使用的氧化剂可能会对环境造成污染。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种简单的制备纳米空心炭球的方法。利用气相氧化法，在空气中，在较低温度下，简单大量地制备纳米空心炭球。其粒径为50-200nm，壁厚为3-5nm。炭黑表面石墨微晶呈同心圆排列，表面结晶度较高，而炭黑内部为无定型结构，同时炭黑表面含有许多缺陷和微孔。与外部结晶度高的部分相比，内部无定型区域更容易被氧化，通过控制加热温度和保温时间，从而得到空心结构。具体按下列方法制得：
步骤一：将一定量的炭黑置于瓷舟中，使其均匀地铺在瓷舟底部，同时将马弗炉升温到所设定的反应温度，并用鼓风机向马弗炉内鼓入空气。
步骤二：将盛有炭黑的瓷舟盖好，快速放入马弗炉中，300-600℃下保温1-9h。
步骤三：将产物取出冷却。
优选的，步骤一中所使用的炭黑质量为1g。
优选的，步骤二中反应温度为450-500℃。
优选的，步骤二中反应时间为5-9小时。
本发明具有以下优点：工艺简单，通过选择原料，简单地控制反应温度和反应时间，即可达到对所得纳米炭球粒径、壁厚、结构度的控制。所用原料可以为目前工业化的所有品种炭黑，如N330，N990等，价格低廉，设备简单，反应条件温和。所得产物产量高，表面各向异性，并且所炭黑原料的结构。所得到的空心炭球可以在储能以及导电复合材料等方面有进一步的应用。
附图说明
图1为1gN330，在450℃下保温6.5h制得的纳米空心炭球（TEM）图。
图2为1gN990，在460℃下保温8h制得的纳米空心炭球（TEM）图。
具体实施方式
下面以实施例的方式说明本发明，但不构成对本发明的限制。
实施例1
将1gN330炭黑均匀平铺在瓷舟底部，同时将马弗炉升温到450℃，用鼓风机向马弗炉内通入空气。将盛有N330的瓷舟盖好，快速放入马弗炉中，在450℃下保温6.5h，取出产物，冷却后测的炭黑失重为55%。即得本发明所述纳米空心炭球。
如附图1透射电镜（TEM）所示，得到的纳米空心炭球粒径为20-50nm，壁厚约为3nm。
实施例2
将1gN990炭黑均匀平铺在瓷舟底部，同时将马弗炉升温到480℃，用鼓风机向马弗炉内通入空气。将盛有N990的瓷舟盖好，快速放入马弗炉中，在480℃下保温8h，取出产物，冷却后测的炭黑失重为46%。即得本发明所述纳米空心炭球。
如附图2透射电镜（TEM）所示，得到的纳米空心炭球，粒径为200-300nm，有多腔结构。
实施例3
将1gN330炭黑均匀平铺在瓷舟底部，同时将马弗炉升温到460℃，用鼓风机向马弗炉内通入空气。将盛有N330的瓷舟盖好，快速放入马弗炉中，在460℃下保温5h，取出产物，冷却后测的炭黑失重为40%。即得本发明所述纳米空心炭球。
实施例4
将1gN990炭黑均匀平铺在瓷舟底部，同时将马弗炉升温到480℃，用鼓风机向马弗炉内通入空气。将盛有N990的瓷舟盖好，快速放入马弗炉中，在480℃下保温9h，取出产物，冷却后测的炭黑失重为56%。即得本发明所述纳米空心炭球。
以上已对本发明的较佳实施例进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同的变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (7)

1.一种制备纳米空心炭球的方法，其特征在于按下列方法制得：
将一定量的炭黑放入马弗炉中升温，同时向马弗炉内鼓入空气，升至设定温度后，保温一段时间，取出冷却。
2.权利要求1所述的纳米空心炭球的制备方法，其特征在于：所述炭黑为N330、N660、N990等普通商业化炭黑的一种。
3.如权利要求1所述的纳米空心炭球的制备方法，其特征在于：反应的温度范围为300-600℃。
4.如权利要求1所述的纳米空心炭球的制备方法，其特征在于：优选的反应温度为450-500℃。
5.如权利要求1所述的纳米空心炭球的制备方法，其特征在于：反应的时间为1-9h。
6.如权利要求1所述的纳米空心炭球的制备方法，其特征在于：优选的保温时间为6-9h。
7. 如权利要求1所述的纳米空心炭球的制备方法，其特征在于：所得到的纳米空心炭球粒径在20-300nm，壁厚为3-5nm。
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