CN112265980A - 富勒烯c60的配料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种富勒烯C60的配料及其制备方法，包括以下的配料：能量源、分散溶剂、碳源以及用于溶解橡胶的溶剂。所述能量源为纳米铝热剂，所述分散溶剂为无水乙醇，所述碳源为多元氟橡胶，所述用于溶解橡胶的溶剂为二甲基甲酰胺或者丙酮溶剂。通过添加纳米铝热剂来提供能量，氟橡胶作为碳源，同时降低点火温度，控制燃烧速率，来实现在较温和条件下富勒烯C60的合成，用一种简单、廉价且高效的方法，提供了一种富勒烯C60的线性升温铝热燃烧制备法。

Description

富勒烯C60的配料及其制备方法
技术领域
本发明涉及富勒烯碳材料的制备合成技术领域，特别涉及一种富勒烯C60的配料及其制备方法，尤其涉及一种富勒烯C60的配料及其线性升温铝热燃烧制备方法。
背景技术
富勒烯Fullerene(C60)在1985年被科学家发现的由60个碳原子组成的足球状分子，是一种具有清除活性氧超强功能的美容成分，其抗氧化力是维生素C的172倍，是目前最强力的自由基清除分子。它的出现极大地促进了纳米材料的发展，被誉为“纳米王子”。最早人们通常认为碳元素只有两种同素异构体，即石墨和金刚石。然而，近十几年来，以富勒烯C60为代表的新型碳材料的发现打破了原有的认识。在富勒烯家族中以C60分子最为稳定，C60材料分子的直径为0.71nm，属于典型的零维碳纳米材料。富勒烯是一种由三价碳原子构成的球状多面体结构，主要由五元环和六元环组成。C60分子中每个碳原子与其周围三个碳原子采用sp2.28杂化方式形成了3个σ键，同时以s0.09p方式杂化形成σ键。在C60内、外表面均匀分布着电子云。目前的研究结果表明，富勒烯纳米材料及其衍生物在光学、力学、电学、材料科学以及生物医药学方面具有巨大的潜在应用价值，可以作为超导体，光电子材料，固体润滑剂，纳米反应器，电磁屏蔽材料等，是未来可能的一种重要化工、医药生物等原料。
过去十多年里，合成富勒烯C60的方法很多，有石墨激光气化法、石墨电弧放电法、太阳能加热石墨法、石墨高频电炉加热蒸发法、苯火焰燃烧法、萘热裂解法等。不同方法制备得到的C60的产量和纯度均有差异。例如，石墨激光气化法需要将石墨靶在惰性气体中加热到1200℃，才能提高C60的产率，但此方法难以有效收集到样品。石墨电弧放电法虽然是目前的主流方法，但是受约束条件太多，比如电弧放电方式、放电距离、电流大小和氦气压力均会影响C60的产率。萘裂解法所需的温度同样高达1200℃，才逐渐有富勒烯生成。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种富勒烯C60的配料及其制备方法，通过添加纳米铝热剂来提供能量，氟橡胶作为碳源，同时降低点火温度，控制燃烧速率，来实现在较温和条件下富勒烯C60的合成，用一种简单、廉价且高效的方法，提供了一种富勒烯C60的线性升温铝热燃烧制备法。
为了克服现有技术中的不足，本发明提供了一种富勒烯C60的配料及其制备方法的解决方案，具体如下：
一种富勒烯C60的配料，包括以下的配料：
能量源、分散溶剂、碳源以及用于溶解橡胶的溶剂。
优选地，所述能量源为纳米铝热剂，所述分散溶剂为无水乙醇，质量比为1:3，所述碳源为多元氟橡胶，所述用于溶解橡胶的溶剂为二甲基甲酰胺或者丙酮溶剂，所述能量源、分散溶剂、碳源以及用于溶解橡胶的溶剂的质量比为1:3:1:7。
所述富勒烯C60的制备方法，具体如下：
步骤1：用纳米铝热剂作为能量源，而用无水乙醇作为分散溶剂，把纳米铝热剂和无水乙醇混合在一起并在磁力搅拌作用下，得到纳米铝热剂无水乙醇的分散液；
步骤2：把多元氟橡胶作为碳源，利用二甲基甲酰胺或者丙酮溶剂溶解氟橡胶，并在充分搅拌作用下得到氟橡胶溶液；
步骤3：在搅拌和超声分散条件下，将氟橡胶溶液全部倒入纳米铝热剂无水乙醇的分散液中，充分搅拌，得到分散均匀后的前驱体混合液；
步骤4：确保分散均匀后，将前驱体混合液蒸干，得到纳米铝热剂/氟橡胶复合物粉体，将复合物在惰性气体保护下置于刚玉坩埚中，在线性升温条件下，从室温逐渐加热至1000℃，对产物在惰性气体条件下自然冷却后取出待进一步洗涤和离心作用后得到富勒烯C60。
优选地，所述步骤1中，Al/MnO2纳米铝热剂的配比按照化学反应方程式4Al+3MnO2→2Al2O3+3Mn进行配比，燃料和氧化剂按照零氧平衡进行配置，并混合均匀，所述燃料为Al粉而所述氧化剂为MnO2纳米棒。
优选地，所述步骤2中，所述多元氟橡胶作为碳源，要具有良好的溶解性，主要包括是二元氟橡胶聚偏氟乙烯-六氟丙烯P(VDF-HFP)和三元氟橡胶聚偏氟乙烯-六氟丙烯-四氟乙烯P(VDF-HFP-TFE)。
优选地，所述步骤3中，所述纳米铝热剂的含量在混合物整体中质量百分数不低于50％，纳米铝热剂组分为纳米Al粉和MnO2纳米棒，所述纳米Al粉和MnO2纳米棒的质量比为2:3，使用前混合均匀，避免出现大量团聚现象。
优选地，所述步骤4中，线性升温速率不超过35℃/min，以确保反应物之间反应充分发生，提高产品的质量。
这样本发明的优点为：
(1)通过纳米铝热剂的加入，实现利用微纳米环境下的高温和局部高压，达到富勒烯C60的控制合成，对仪器设备要求较低；
(2)本发明所用原料来源广泛，且价格便宜，工艺过程简单，反应周期短，可规模化生产具有极大的经济效益，该方法是一种快速高效的富勒烯合成方法，所选用的温度较低，安全性良好；
(3)该方法主要依赖于控制剂溶液的类型和浓度，同时控制剂的浓度易调控，成本低廉，且控制剂溶液不易挥发或变质，在普通密闭条件下可长期贮存。
附图说明
图1是富勒烯C60提纯之前产物的XRD图，其中主要成分为富勒烯C60，锰的氧化物和氟化物，铝的氧化物和氟化物以及锰铝合金产物。
图2是实施例1经过提纯处理后的富勒烯C60的XRD衍射图谱；
图3是实施例1经过提纯处理后的富勒烯C60的拉曼光谱图；
图4是实施例1经过提纯处理后的富勒烯C60的SEM照片。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做进一步地说明。
相比现有技术的合成富勒烯的方法而言，苯火焰燃烧法产率较高，提供了一条新的大量制备富勒烯的方法。本发明专利同样利用燃烧法，选用纳米铝热剂从内部提供热能和局部高压，利用氟橡胶作为碳源，同时控制燃烧的速度，降低点火温度，在惰性气体常压条件下，利用线性升温条件，制备得到高产率的富勒烯C60材料。这种方法制备条件温和，产率高，安全可靠，成本低廉，适合工业上大量制备富勒烯C60纳米材料。
实施例1
如图1-图4所示，富勒烯C60的配料，包括以下的配料：
能量源、分散溶剂、碳源以及用于溶解橡胶的溶剂。
所述能量源为纳米铝热剂，所述分散溶剂为无水乙醇，所述碳源为多元氟橡胶，所述用于溶解橡胶的溶剂为二甲基甲酰胺或者丙酮溶剂。
所述富勒烯C60的制备方法，具体如下：
步骤1：分别称取40mg的纳米铝粉和60mg的纳米二氧化锰粉体，在超声环境下充分分散于5mL的无水乙醇中，得到纳米铝热剂无水乙醇分散液；
步骤2：将5g的三元氟橡胶聚偏氟乙烯-六氟丙烯-四氟乙烯P(VDF-HFP-TFE)溶于250mL的二甲基甲酰胺溶剂中，浓度为20mg/mL，利用移液枪取1mL的溶液注入纳米铝热剂无水乙醇分散液中，在搅拌和超声分散的条件下，得到混合均匀的前驱体液；
步骤3：为了有效避免纳米铝热剂中可能出现的团聚现象，将前驱体液转入10mL的注射器中，利用静电喷雾法，置于13kV的直流高压电场中，利用注射泵将前驱体液喷出，在接地端设置收集器，将产物收集并干燥保存；
步骤4：将产物置于1mL的刚玉坩埚中，不加盖，置于有氩气保护气和吹扫气的炉内，从室温开始缓慢升温加热至1000℃，升温速度设置为10℃/min，到达设定温度后，继续通入氩气，让其自然冷却；
步骤5：待冷却至室温时，将剩余的产物取出，进行水洗、醇洗和离心这样的流程，将漂浮在溶液中的黑色悬浮液提取出来，置于60℃的真空干燥箱中进行12h的干燥，得到黑色粉体，即为富勒烯C60。
以上以附图说明的方式对本发明作了描述，本领域的技术人员应当理解，本公开不限于以上描述的实施例，在不偏离本发明的范围的情况下，可以做出各种变化、改变和替换。

Claims (7)

1.一种富勒烯C60的配料，其特征在于，包括以下的配料：
能量源、分散溶剂、碳源以及用于溶解橡胶的溶剂。
2.根据权利要求1所述的富勒烯C60的配料，其特征在于，所述能量源为纳米铝热剂，所述分散溶剂为无水乙醇，所述碳源为多元氟橡胶，所述用于溶解橡胶的溶剂为二甲基甲酰胺或者丙酮溶剂。
3.一种富勒烯C60的制备方法，其特征在于，具体如下：
步骤1：用纳米铝热剂作为能量源，而用无水乙醇作为分散溶剂，把纳米铝热剂和无水乙醇混合在一起并在磁力搅拌作用下，得到纳米铝热剂无水乙醇的分散液；
步骤2：把多元氟橡胶作为碳源，利用二甲基甲酰胺或者丙酮溶剂溶解氟橡胶，并在充分搅拌作用下得到氟橡胶溶液；
步骤3：在搅拌和超声分散条件下，将氟橡胶溶液全部倒入纳米铝热剂无水乙醇的分散液中，充分搅拌，得到分散均匀后的前驱体混合液；
步骤4：确保分散均匀后，将前驱体混合液蒸干，得到纳米铝热剂/氟橡胶复合物粉体，将复合物在惰性气体保护下置于刚玉坩埚中，在线性升温条件下，从室温逐渐加热至1000℃，对产物在惰性气体条件下自然冷却后取出待进一步洗涤和离心作用后得到富勒烯C60。
4.根据权利要求3所述的富勒烯C60的制备方法，其特征在于，所述步骤1中，纳米铝热剂的配比按照化学反应方程式4Al+3MnO2→2Al2O3+3Mn进行配比，燃料和氧化剂按照零氧平衡进行配置，并混合均匀，所述燃料为Al粉而所述氧化剂为MnO2纳米棒。
5.根据权利要求3所述的富勒烯C60的制备方法，其特征在于，所述步骤2中，所述多元氟橡胶作为碳源，包括二元氟橡胶聚偏氟乙烯-六氟丙烯P(VDF-HFP)和三元氟橡胶聚偏氟乙烯-六氟丙烯-四氟乙烯P(VDF-HFP-TFE)。
6.根据权利要求3所述的富勒烯C60的制备方法，其特征在于，所述步骤3中，所述纳米铝热剂的含量在混合物整体中质量百分数不低于50％，纳米铝热剂各组分之间混合均匀，所述纳米Al粉和MnO2纳米棒的质量比为2:3。
7.根据权利要求3所述的富勒烯C60的制备方法，其特征在于，所述步骤4中，线性升温速率不超过35℃/min。
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