CN1478593A - 填充磁性金属纳米碳球的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种填充磁性金属纳米碳球的制造方法,包括下列步骤:(a)提供一电弧反应室,含有石墨阴极与复合石墨阳极,该复合石墨阳极含有至少一种磁性金属或其衍生物,并于该电弧反应室中通入一惰性气体;(b)以一脉冲电流施加电压于上述阴极与阳极之间,从而产生电弧放电反应;以及(c)收集沉积于石墨阴极的产物。本发明可获得高纯度的填充磁性金属纳米碳球(以填充磁性金属纳米碳球为主产物),具有低成本、易于纯化等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种填充磁性金属纳米碳球(magnetic metal filled carbonnanocapsules)的制造方法,特别涉及一种高纯度填充磁性金属纳米碳球的制造方法。
背景技术
填充磁性金属纳米碳球的外层是由多层石墨层以球中球的结构所组成的多面体碳簇,其中心部分为由磁性的金属、金属化合物、金属碳化物或合金材料所组成。所形成的填充磁性金属纳米碳球其直径约3--100nm,具有特殊的富勒烯(fullerene)结构与光、电、磁性质,并且由于外围石墨层的包围,可保护内部磁性金属纳米粒子避免氧化及酸蚀。填充磁性金属纳米碳球可应用在许多领域,例如:药物(医药级活性碳);光、热吸收与磁性记录;磁流体;触媒、传感器;具热导、特殊电性、磁性的纳米复合材料等领域。
然而,文献上制备填充磁性金属纳米碳球的方法所得初产物以单层纳米碳管为主,仅有少量纳米碳球。由于纳米碳球与纳米碳管间有强的凡得瓦力,在量少的情况下不易将其分离纯化,因单层纳米碳管一端包覆有金属触媒颗粒,与填充磁性金属纳米碳球同样具有磁性,也无法利用磁力加以分离。故传统方法不易制备高纯度的填充磁性金属纳米碳球,产物不仅纯度低,并含有大量碳灰杂质与单层纳米碳管等。而且由于传统方法成本高,导致填充磁性金属纳米碳球的相关应用一直限于停顿状态。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种填充磁性金属纳米碳球的制造方法(以填充磁性金属纳米碳球为主要产物),可获得高纯度填充磁性金属纳米碳球。
为达上述目的,本发明的方法包括下列主要步骤:(a)提供一电弧反应室,含有石墨阴极与复合石墨阳极,该复合石墨阳极含有至少一种磁性金属或其衍生物,并于该电弧反应室中通入一惰性气体;(b)以一脉冲电流施加电压于上述阴极与阳极之间,从而产生电弧放电反应;以及(c)收集于石墨阴极的沉积物。
此外,在步骤(c)之后还有包括一分离纯化步骤(d),以从上述产物分离纯化出填充磁性金属纳米碳球,其可包括:(d1)以一界面活性剂使上述产物分散于一溶液中;(d2)以管柱层析法或滤膜分离上述溶液中的填充磁性金属纳米碳球的主产物与纳米碳管;以及(d3)利用磁力吸引分离出填充磁性金属纳米碳球,并利用酸性或碱性溶剂清洗除去残留金属微粒及界面活性剂。
附图说明
为让本发明的上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂,下文特举出较佳实施例,并配合附图作详细说明如下:
图1显示一用于实施本发明的电弧反应室的示意图。
图2为纯化后的填充钴纳米碳球的电子显微镜(TEM)照片。
图3为放大的填充钴纳米碳球的电子显微镜(TEM)照片。标记说明
1--电弧反应室;2--电源;10--石墨阴极;
12--复合石墨阳极;14--惰性气体入口;
16--惰性气体出口;18--冷却水入口;
20--冷去却水出口。
具体实施方式
本发明的技术主要是在高压的惰性气体下(大于1大气压),利用脉冲电流(pulse current)来进行电弧放电反应,通过此改变电弧放电时电极表面温度、磁性金属蒸汽密度与碳蒸气的密度来改善碳球的产率,并用于制造填充磁性金属纳米碳球。
请参照图1,图1显示一用于实施本发明的电弧反应室的示意图。在电弧反应室1中至少包括一对作为电弧放电的电极10、12。惰性气体由导入口12进入电弧反应室1中,由出口16排出。电弧反应室1的外围以流动冷却水包围,图中16为冷却水入口,18为冷却水出口。
在本发明中,电弧反应在流动的惰性气体下进行,惰性气体的流速可控制在10--200mm3/min,最好控制在30--120mm3/min。适用于本发明的惰性气体包括但不限于:氦气、氩气、氮气等。为制备本发明的填充磁性金属纳米碳球,电弧反应室的压力可控制在0.1--5大气压,最好可控制在1--2大气压之间。
在电弧反应室1中设有两个互对的电极10、12。此处所用的电极10为石墨材质,一般是以石墨棒作为石墨阴极;此处所用的电极12为含有至少一种磁性金属或其衍生物的复合石墨阳极,一般是为由碳粉与至少一种磁性金属或其衍生物的粉体混和压制而成的复合石墨棒,碳粉与磁性金属或其衍生物的粉体的莫耳混和比例为介于100∶1至100∶20之间。复合石墨阳极可进一步包括树脂,混和压制并于高温(400~1500℃)无氧下回火、将树脂石墨化而成形,树脂加入的比例为当该碳粉与磁性金属或其衍生物的粉体的总和为100重量份时,树脂加入10~30重量份。所用的树脂可为氰胺树脂(melamine resin)、环氧树脂(epoxy resin)、酚醛树脂或可石墨化的树脂。上述磁性金属可为Sc、V、Cr、Fe、Co、Ni、Y、Zr、Mo、Ru、Rh、Pd、La、Ce、Pr、Nd、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Lu、Ta、Os、Ir、Pt、Au、Th或U或其组合,其中又以Co、Fe、Ni、La、Y等元素或其组合较佳。上述磁性金属的衍生物可为该磁性金属与其它元素形成的合金、该磁性金属的氧化物或该磁性金属的碳化物。
制备填充磁性金属纳米碳球时,从电源2供应电能至石墨阴极10与复合石墨阳极12,所提供的电能需使两极之间足以产生电弧放电以在石墨阴极10上形成沉积物。
依照本发明的技术方案,在进行电弧放电反应时,利用一特定频率的脉冲电流(pulse current)施加电压于阴极与阳极之间,有别于公知技术所用的直流电或交流电。依照本发明,脉冲电流的频率范围在0.01--1000Hz之间。电流的大小可控制在50--800安培,电极之间的电压约控制在10--30伏特的范围。
根据上述条件进行电弧放电反应后,在阴极碳棒10上沉积物的核心部分可得到黑色粉体的初产物,其中包括约90%--40%以上填充磁性金属纳米碳球的主要产物,及10%--50%以下中空纳米碳球、纳米碳管与少量(10%以下)无碳层包覆的金属颗粒。此初产物经过进一步纯化后,可得到高纯度的填充磁性金属纳米碳球。纯化程序为首先利用于一界面活性剂,将初产物分散于一溶液中;然后,以管柱层析法或滤膜分离溶液中的填充磁性金属纳米碳球与纳米碳管,并利用磁力吸引分离出填充磁性金属纳米碳球,并利用酸性或碱性溶剂清洗除去残留金属微粒及界面活性剂,最后可得到纯度在80%以上,约95%的填充磁性金属纳米碳球。
适用于本发明的界面活性剂可为阳离子界面活性剂,如溴化十六烷基三甲基铵(certyltrimethyl ammonium bromide),阴离子界面活性剂,如十二烷基硫酸钠(sodium dodecyl sulfate),两性界面活性剂,如烷基甜菜素(alkylbetaine)或非离子型界面活性剂,如月桂醇醚(1auryl alcohol ether)。其中最好为溴化十六烷基三甲基铵与十二烷基硫酸钠。上述用来进行管柱层析的过滤装置可利用具有尺寸排除(size exclusion)功能的层析管柱,此层析管柱的前端最好具有一孔径约0.2微米的滤膜层。此外,也可单独使用滤膜来进行分离,而不使用管柱层析。使用滤膜进行分离时,可将滤液重滤数次以期得到较佳的分离效果。
与现有技术比较,本发明为目前可获得高纯度的填充磁性金属纳米碳球的(以填充磁性金属纳米碳球为主产物)最佳方法。
本实施例利用如图1所示的电弧反应室来制备填充磁性金属纳米碳球,其中石墨棒为阴极,复合石墨棒为阳极(石墨棒与复合石墨棒直径为0.24英时。阴极较短,长度约8--10公分)。复合石墨棒为将莫耳比100∶5的碳粉与钴金属粉体,加入占粉体总重20%的氰胺树脂,混和均匀后利用热压机于170℃下压制成形,再将此复合棒于无氧下加热至700℃,使其树脂完全石墨化成形。
在电弧反应室中,以60--90cm3/mtn的流速通入氩气,反应室的压力约控制在1.2大气压。电弧反应室的外围为流动的冷却水。
以约60Hz频率的脉冲电流,在约20伏特与约100安培的条件下进行电弧放电(carbon arc)反应。反应约30分钟后停止放电反应,于阴极碳棒上可得沉积物(沉积物长度约3--4公分;直径约与石墨棒相同),切开沉积物,在其核心部分可得到黑色粉体的初产物,其中含有约70%填充钴的纳米碳球与约30%的中空纳米碳球、短纳米碳管,以及少量无碳层包覆的钴金属微粒。请参照图2,所示为纯化后的填充钴纳米碳球的电子显微镜(TEM)照片。
初产物利用一界面活性剂分散于溶液中,再以管柱层析的过滤方法将溶液中的填充磁性金属纳米碳球与短纳米碳管分离。最后,利用磁力吸引分离出填充磁性金属纳米碳球,并利用酸性或碱性溶剂与醇类清洗除去残留金属微粒及界面活性剂。结果可得纯化至95%以上的高纯度填充磁性金属纳米碳球。请参照图3,所示为放大的填充钴纳米碳球的电子显微镜(TEM)照片。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上,然其并非用于限定本发明,任何本领域的普通技术人员,在不脱离本发明的精神和范围内,可作一些等效变化和变动,因此本发明的保护范围以权利要求为准。
Claims (33)
1、一种填充磁性金属纳米碳球的制造方法,其特征在于,包括下列步骤:
(a)提供一电弧反应室,含有石墨阴极与复合石墨阳极,该复合石墨阳极含有至少一种磁性金属或其衍生物,并于该电弧反应室中通入一惰性气体;
(b)以一脉冲电流施加电压于上述阴极与阳极之间,从而产生电弧放电反应;以及
(c)收集于石墨阴极的沉积物。
2、如权利要求1所述的填充磁性金属纳米碳球的制造方法,其特征在于,该石墨阴极为石墨棒所构成。
3、如权利要求1所述的填充磁性金属纳米碳球的制造方法,其特征在于,该复合石墨阳极为由碳粉与至少一种磁性金属或其衍生物的粉休混和压制而成的复合石墨棒。
4、如权利要求3所述的填充磁性金属纳米碳球的制造方法,其特征在于,该复合石墨阳极为进一步包括可石墨化树脂混和压制而成的复合石墨棒。
5、如权利要求1或3所述的填充磁性金属纳米碳球的制造方法,其特征在于,该磁性金属择自Sc、V、Cr、Fe、Co、Ni、Y、Zr、Mo、Ru、Rh、Pd、La、Ce、Pr、Nd、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Lu、Ta、Os、Ir、Pt、Au、Th以及U元素所组成的族群中。
6、如权利要求1或3所述的填充磁性金属纳米碳球的制造方法,其特征在于,该磁性金属的衍生物择自该磁性金属与其它元素形成的合金与该磁性金属的氧化物与该磁性金属的碳化物所组成的族群中。
7、如权利要求3所述的填充磁性金属纳米碳球的制造方法,其特征在于,该碳粉与磁性金属或其衍生物的粉体的莫耳混和比例为介于100∶1至100∶20之间。
8、如权利要求4所述的填充磁性金属纳米碳球的制造方法,其特征在于,该可石墨化树脂系择自氰胺树脂(melamine resin)与环氧树脂(epoxy resin)及酚醛树脂所组成的族群中。
9、如权利要求4或8所述的填充磁性金属纳米碳球的制造方法,其特征在于,该树脂加入的比例为当该碳粉与磁性金属或其衍生物的粉体的总和为100重量份时,树脂加入10~30重量份。
10、如权利要求1所述的填充磁性金属纳米碳球的制造方法,其特征在于,该惰性气体的流速控制在10--200mm3/min。
11、如权利要求1所述的填充磁性金属纳米碳球的制造方法,其特征在于,该电弧反应室的压力控制在0.1--5大气压。
12、如权利要求1所述的填充磁性金属纳米碳球的制造方法,其特征在于,该脉冲电流的频率为0.01--1000Hz。
13、如权利要求1所述的填充磁性金属纳米碳球的制造方法,其特征在于,该电弧放电反应以0.01--1000Hz的脉冲电流,在10--30伏特与50--800安培的条件下进行。
14、如权利要求1所述的填充磁性金属纳米碳球的制造方法,其特征在于,步骤(c)收集石墨阴极沉积物的核心部分。
15、如权利要求14所述的填充磁性金属纳米碳球的制造方法,其特征在于,于石墨阴极的沉积物包括填充磁性金属纳米碳球的主产物、中空纳米碳球与纳米碳管。
16、一种填充磁性金属纳米碳球的制造方法,其特征在于,包括下列步骤:
(a)提供一电弧反应室,含有阴极石墨棒与由碳粉及至少一种磁性金属或其衍生物的粉体与可石墨化树脂混和压制成的阳极复合石墨棒,且于该电弧反应室中通入一惰性气体;
(b)以一脉冲电流施加电压于上述阴极与阳极之间,从而产生电弧放电反应;
(c)收集于阴极石墨棒的沉积物,其中包括填充磁性金属纳米碳球的主产物、中空纳米碳球与纳米碳管;以及
(d)从上述沉积物分离纯化出填充磁性金属纳米碳球。
17、如权利要求16所述的填充磁性金属纳米碳球的制造方法,其特征在于,该磁性金属择自Sc、V、Cr、Fe、Co、Ni、Y、Zr、Mo、Ru、Rh、Pd、La、Ce、Pr、Nd、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Lu、Ta、Os、Ir、Pt、Au、Th以及U元素所组成的族群中。
18、如权利要求16所述的填充磁性金属纳米碳球的制造方法,其特征在于,该磁性金属的衍生物择自该磁性金属与其它元素形成的合金及该磁性金属的氧化物与该磁性金属的碳化物所组成的族群中。
19.如权利要求16所述的填充磁性金属纳米碳球的制造方法,其特征在于,该碳粉与磁性金色属或其衍生物的粉体的莫耳混和比例为介于100∶1至100∶20之间。
20、如权利要求16所述的填充磁性金属纳米碳球的制造方法,其特征在于,该可石墨化树脂择自氰胺树脂(melamine resin)与环氧树脂(epoxyresin)及酚醛树脂所组成的族群中。
21、如权利要求16所述的填充磁性金属纳米碳球的制造方法,其特征在于,该树脂加入的比例为当该碳粉与磁性金属或其衍生物的粉体的总和为100重量份时,树脂加入10~30重量份。
22、如权利要求16所述的填充磁性金属纳米碳球的制造方法,其特征在于,该惰性气体的流速系控制在10--200mm3/min。
23、如权利要求16所述的填充磁性金属纳米碳球的制造方法,其特征在于,该电弧反应室的压力系控制在0.1--5大气压。
24、如权利要求16所述的填充磁性金属纳米碳球的制造方法,其特征在于,该脉冲电流的频率范围为0.01--1000Hz。
25、如权利要求16所述的填充磁性金属纳米碳球的制造方法,其特征在于,该电弧放电反应系以0.01--1000Hz的脉冲电流,在10--30伏特与50--800安培的条件下进行。
26、如权利要求16所述的填充磁性金属纳米碳球的制造方法,其特征在于,步骤(c)系收集阴极石墨棒沉积物的核心部分。
27、如权利要求16所述的填充磁性金属纳米碳球的制造方法,其特征在于,步骤(d)包括:
(d1)以一界面活性剂使上述产物分散于一溶液中;
(d2)以管柱层析法分离上述溶液中的填充磁性金属纳米碳球的主产物与短纳米碳管;以及
(d3)利用磁力吸引分离出填充磁性金属纳米碳球,并利用酸性或碱性溶剂与醇类清洗除去残留金属微粒及界面活性剂。
28、如权利要求27所述的填充磁性金属纳米碳球的制造方法,其特征在于,该界面活性剂为阳离子界面活性剂、阴离子界面活性剂、两性界面活性剂、或非离子型界面活性剂。
29、如权利要求27所述的填充磁性金属纳米碳球的制造方法,其特征在于,该界面活性剂为溴化十六烷基三甲基铵或十二烷基硫酸钠。
30、如权利要求27所述的填充磁性金属纳米碳球的制造方法,其特征在于,步骤(d2)系使用一前端具有滤膜的层析管柱。
31、如权利要求30所述的填充磁性金属纳米碳球的制造方法,其特征在于,该滤膜层具有大小约0.2微米的孔洞。
32、如权利要求27所述的填充磁性金属纳米碳球的制造方法,其特征在于,步骤(d3)所得的填充磁性金属纳米碳球纯度于80~99.9%。
33、如权利要求27所述的填充磁性金属纳米碳球的制造方法,其特征在于,步骤(d3)所得的填充磁性金属纳米碳球纯度大于95%。
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