CN1522956A - 一种以电弧放电技术制备碳纳米球的方法 - Google Patents

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邱介山
李永峰
王云鹏
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本发明属于煤化工和炭素材料技术领域，涉及到一种以煤基炭棒或石墨棒为电极在氦气/乙炔气氛下用等离子体电弧放电技术制备碳纳米球的方法。其特征包括对原料煤进行的一系列预处理步骤，获得尺径及质地均一并具有合适电导率的炭棒；将该炭棒或石墨棒作为阳极于氦气/乙炔气氛下在直流电弧等离子体装置内进行放电蒸发的过程；以及放电后收集在反应中阳极的端部长出的黑色须状物的步骤。本发明的效果和益处是碳纳米球尺径分布均匀，外观呈现完美的球形，在燃料电池、高分子材料的加强、高级颜料及特种润滑剂等领域有极大的应用前景。此直流电弧制备工艺有原料廉价、工艺简单等优点，产品产率可达0.1～1g/min实用于碳纳米球的大规模工业生产。

Description

一种以电弧放电技术制备碳纳米球的方法
技术领域
本发明属于煤化工和炭素材料技术领域，涉及到一种以电弧放电方法制备碳纳米球(Carbon nanosphere)的方法。
背景技术
对于以煤基炭棒或石墨作为阳极用电弧放电方法在乙炔/氦气的气氛下制备碳纳米球，在国内外还未见相应的报道，下面对与本发明相关的研究背景做一说明。
科学家有意识且系统地把纳米粒子作为研究对象来探索纳米体系最早可追溯到20世纪60年代，而后的一些金属超微粒子的获得和半导体量子阱、超晶格的发现使得纳米科学得到迅速发展成为最热的科学领域之一。碳纳米科学研究始于1985年富勒烯的发现，此后获得不断的发展，碳纳米管、碳纳米丝、纳米碳葱、纳米碳角和纳米碳球等具有纳米尺寸的新材料相继被发现。
在早期的碳纳米材料制备实验中，主要以碳纳米管的制备为主，采用的技术是以高纯石墨为原料的激光蒸发法，其缺点是产率很低、杂质较多且对设备要求高。后来科学家经过不懈努力又发明了电弧放电、气相沉积、溶胶凝胶法等新方法，而碳源也由单一的固态石墨拓展到煤、液态有机物、气态的碳氢化合物等各种形态存在的含碳物质，但是目前技术比较成熟且应用较广的制备方法主要有电弧法、激光蒸发法和气相沉积法(Chemical Vapor Deposition，CVD法)三种。气相沉积法(CVD)是在高温条件下，通过热解炭氢化合物(如甲烷、乙炔、聚乙烯等)在催化剂作用下制备碳纳米材料的技术方法。日本Shinshu大学的Morinobaendo教授是世界上率先开展这方面研究的先驱者。这种方法工艺具有相对简单的特点，并且可以得到具有阵列的产物；但得到的产品副产物较多，且物理和化学性质不够理想。电弧等离子法是利用电弧中高温等离子蒸发阳极碳源并在适当条件下沉积获得产品，其优点是产品石墨化程度高、有较好的力学性质及高的化学稳定性，而缺点是杂质较多、电弧性质不易控制。
随着碳纳米科学研究的不断深入，纳米级的球形碳逐渐引起科研人员的广泛兴趣，研究人员主要制备的球形碳有三类：一、碳葱形纳米球，尺寸在2-20nm之间；二、未完全石墨化的碳纳米球，尺寸分布在50nm到1μm之间；三是尺寸在1到几个微米的碳球。由于纳米级别的碳球具有特殊的纳米效应和表面效应，所以人们对直径在几十到几百纳米的球形碳研究的最多，目前这类球形碳的制备主要集中在化学气相沉积法。
在我们制备碳纳米球的工艺中综合电弧法和气相沉积法两种方法各自的优点在电弧放电气氛中引入了部分乙炔为气相碳源。这不仅保证了在反应区内有大片性质稳定的高温等离子弧柱的存在，而且在靠近弧区附近也出现了适合气相沉积的温度区域。通过多次实验观察可以认定实验中阳极上生成的富含有大量碳纳米球的须状物是在电弧等离子气化、活化作用和气相沉积作用的综合影响下产生的。我们在石墨阳极的实验基础上，经过进一步的深入研究以廉价易得的煤基炭棒为原料替代纯石墨阳极用电弧法制备碳纳米球的技术方法并获得成功。更重要的是我们能根据实验条件的不同来控制得到的碳纳米球的内部结构，在添加催化剂时可以制备出空心的碳纳米球，即碳纳米胶囊。众所周知，中国有丰富的煤炭资源，以煤为原料既可降低碳纳米材料的制备成本，又可以达到煤炭资源深度利用的目的。与以石墨为原料相比，用煤为原料在保障产品质量的同时可以大大减少原料石墨化处理所需的费用、降低电弧蒸发过程的能耗是一更具有经济前景的改进。而由电弧放电法得到的碳纳米球具有与以往发现的碳纳米微粒(主要以炭黑类、炭葱为主)相比具有不同的结构；微观结构也不同于以高结构团聚形态存在的槽法、炉法制得的炭黑；和以分散形态存在的热裂炭黑比较具有形态更完美及尺径更集中的特点。值得一提的是制备的碳纳米球可呈现实心球体或球形空心胶囊状，前者有丰富的表面积高的化学反应活性，而后者外层结构高度石墨化有好的化学稳定性。总之，在国内外的研究报道中，目前为止还没有以电弧放电技术大批量制备这种高纯碳纳米球的技术方法的报道，仅在为数不多的文献(Carbon 41(2002)1652-1653，Carbon 39(2001)621-625)中报道了与本发明相似的结果。
发明内容
本发明的目的是提供一种以石墨棒(直径9mm)或煤基炭棒为阳极在乙炔和氦气的混合气氛条件下进行直流电弧放电制备碳纳米球的方法。解决了用电弧法在相关的碳纳米材料制备中副产物过多且力学结构差的缺点。
本发明的技术方案是：
以煤基炭棒阳极电弧法制备碳纳米球的过程大致可分以为下几个步骤：
1.煤棒的制备：将原煤粉碎、筛分、干燥并与煤焦油混合，经模压成型制成煤棒。模压成型时的压力控制在10～15MPa。
2.煤棒的炭化过程：将步骤1中制好的煤棒置于电炉内程序升温炭化，升温速率为15℃/min(20℃～120℃)；5℃/min(120℃～500℃)，在500℃下恒温1h，然后以5℃/min的速度连续加热到900℃并恒温3h，之后自然冷至室温，整个炭化过程是在氮气保护下进行的，氮气流量为0.2m3/h。
3.电弧放电气化过程：将经步骤1、2步骤制好的阳极炭棒放入电弧等离子体反应器内，充入氦气/乙炔(5∶1)进行放电蒸发气化，放电电压为40～50V，电流为50～70A，电极间距保持在2～3mm左右，控制弧光放电状态，使阳极近电弧处有须状物的不断生成，整个放电时间约为10～20min。
4.放电束后收集在阳极上靠近电弧区处生成的须状物质即为得到的碳纳米球。
本发明的效果和益处如下：
1.通入乙炔等有机气体碳源，从而将直流电弧法与气相沉积技术结合在一起，在一定程度上克服了这两种工艺各自的缺点。
2.制备的碳纳米球结构缺陷少、尺径均一且含杂质极少，可以直接应用于各种相关的技术领域。
3.以廉价易得的中国煤作为阳极炭棒时，可进一步较少产品所需的成本，煤的成本大约为石墨的1/100，大量制备时，费用会更低。
4.原料煤的资源丰富，中国是一个产煤大国，以煤为原料可以开辟一条用煤基阳极放电方法制备高附加值纳米材料的路线。炭棒的制备过程中，采用液压成型技术，工艺简单，操作方便，可实现批量连续化生产。
5.本技术可以将电弧控制在一种稳定连续状态，保证阳极的均匀气化，可以最大限度地减少了无定型类炭杂质的形成。
6.制备的纳米碳球具有良好的球形度和较高的纯度。
7.制备的产率较高，可达0.2～1g/min，装置放大改进后可望进一步提高其产率。
附图说明
图1是用石墨电极作为阳极在放电条件下制备的碳纳米球的透射电镜照片，产品的纯度在95％以上，纳米球的直径在60～80nm之间，分散度较好。
图2，3是用煤基炭棒作阳极制得的实心碳纳米球的透射电子显微镜照片，其中图2为低倍下的碳纳米球表面微观形态，照片中可清晰看到须状物的组成为大量的碳纳米球，另外，在照片中我们也会看到这些纳米球具有良好的球形度和分散性。低倍的照片显示这些纳米球的纯度较高，可达90％以上。无定形碳的含量很少。图3是用本技术制得的碳纳米球的高倍电镜照片，可进一步观察碳纳米球的形貌，照片显示这些纳米球的直径分布非常均匀，在70～80nm之间。我们几乎没有发现无定形炭的存在。
图4为添加催化剂的煤基炭棒为阳极时，得到的具有一定空心度的碳纳米球。
具体实施方式
下面详细叙述本发明的具体实施例。
实施例1
以石墨棒(直径为9mm)为电弧阳极，然后将阳极石墨棒放入电弧装置内进行电弧放电蒸发气化。反应器首先用氮气吹扫3次，然后用氦气吹扫1次以排除反应器内的空气。最后通入氦气和乙炔的混合气(乙炔与氦气的体积比为5∶1)至压力为0.065MPa(绝对压力)，通冷却水，开启电源，调节电极之间的距离，保持电极的间距为2～3mm，使电弧处于一种“稳定”的放电状态直至阳极上不再有物质生成。整个放电时间持续大约10min；放电结束后，关闭电源，停冷却水。打开反应器可发现大量的纤维状物质沉积在阳极的端部。收集产品称重并计算收率，在上述条件下，炭纳米管的收率为0.6g/min。用透射电子显微镜(TEM)、EDX及XRD对得到的纤维状产品进行表征分析，证实所制得的产品为纯度很高的碳纳米球，其含量约在为95％以上。
实施例2
以煤基炭棒为阳极制备碳纳米球，选用煤种为无烟煤，其基本分析数据如下：Mad＝2.34％，Ad＝3.13％，Vdaf＝15.70％；Cdaf＝87.21％，Hdaf＝3.53％，Ndaf＝1.06％。取原料煤样500g，在粉碎机内粉碎，并筛分至粒度小于150μm，干燥后备用。取上述干燥煤样200g混以100g煤焦油，放入搅拌器内搅拌均匀，得到具有一定粘结性的混合物，然后将这种混合物放入模具内用液压机挤压成型制备煤棒，成型压力在10个大气压左右，成型速度为0.5cm/s，得到的煤棒直径为10mm。将上述的煤棒截断，制成长度(10cm)统一的短棒并放入电炉内程序升温炭化，整个炭化过程在氮气的保护下进行。氮气流量为0.2m3/h。炭化过程升温速率为15℃/min(20℃～120℃)；5℃/min(120℃～500℃)，在500℃下恒温1h，然后以5℃/min的速度连续加热到900℃并恒温3h，之后自然冷至室温，最终得到具有光滑表面的煤基炭棒。然后将阳极炭棒放入电弧装置内进行电弧放电蒸发气化。反应开始前首先用氮气3次置换容器内气氛，然后用氦气吹扫1次，目的是排除空气。最后通入氦气和乙炔气体的混合物至压力为0.065MPa(绝对压力)，氦气与乙炔气的体积比为5∶1。之后，通冷却水，开启电源，不断调节电极之间的距离，最终使电弧处于一种“稳定”的放电状态直至阳极炭棒前部长出大片须状物，整个放电时间持续大约12min，放电结束后，关闭电源，停冷却水。打开反应器可发现大量黑色须状物质附着在阳极端部上。收集产品称重并计算收率为0.2～1g/min。将样品用透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射(XRD)进行表征分析。
实施例3
制备有一定空心度的碳纳米球时需要添加金属催化剂。基本过程如下：以煤基炭棒为阳极，取原煤样500g(样品的分析同实施例2)，在粉碎机内粉碎，并筛分至粒度小于150μm，干燥后备用。取上述干燥煤样200g混以100g煤焦油，放入搅拌器内搅拌均匀，得到具有一定粘结性的混合物，然后将这种混合物放入模具内用液压机挤压成型制备煤棒，成型压力在15个大气压左右，成型速度0.5cm/s，得到的煤棒外直径为10mm，内径为6mm的空心煤棒，然后将上述空心煤棒炭化，炭化过程与实施例1的过程完全相同。催化剂的添加过程是首先将铁粉(纯度为99.8％，粒度小于150μm)与重新粉碎部分空心炭棒得到的炭粉相混合。混合比例为1∶1，然后将混合物填充到空心炭管内并压实，最后炭管两端用石墨塞(直径6mm，长度3mm)封闭。将制备好的金属填充的煤基炭棒作为阳极在氦气和乙炔的混合气氛下进行电弧放电。其它的实验条件和实验现象同实施例2完全相同。放电持续时间为15min，在所得到的产品的透射电镜照片(TEM)中我们能清晰的发现得到的纳米都有一定的空心度。空心体积占整个纳米球的体积比例为10～20％。

Claims (2)

1.一种以电弧放电技术制备碳纳米球的方法，其特征是使用包括石墨棒、煤基炭棒及填充催化剂的煤基炭棒为阳极在压力为0.065Mpa有机气体和惰性气体的混合工作气氛下进行直流电弧放电，所用有机气体为乙炔，而惰性气体为氦气其体积比体积比1∶5。
2.根据权利要求1所述的一种以电弧放电技术制备碳纳米球的方法，其特征是料煤的处理过程工艺，粉碎、筛分、干燥并与煤焦油混合，经模压成型制成煤棒，模压成型时的压力控制在10MPa；煤棒的炭化过程：将制好的煤棒置于电炉内程序升温炭化，升温速率为15℃/min由20℃至120℃；5℃/min由120℃至500℃，在500℃下恒温1h，然后以5℃/min的速度连续加热到900℃并恒温3h，之后自然冷至室温，整个炭化过程是在氮气保护下进行的，氮气流量为0.2m3/h。
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