[发明专利]用于制造均匀分散于水溶液中的胶体碳纳米颗粒的方法和设备

说明书

技术领域

本发明涉及用于制造胶体碳纳米颗粒的方法和设备，并且更具体涉及用于制造在水溶液中均匀分散和稳定保持的胶体碳纳米颗粒的方法和设备。

背景技术

金或二氧化钛的纳米颗粒或胶体可具有与其块体形式显著不同的化学和物理性质。因此，已经尝试使用碳颗粒使碳粉末化为纳米尺寸或制造胶体。

当制造碳黑和活性碳时，存在表面与氧结合的氧化化合物。该氧化化合物包含酚基、喹啉基和羧基，并且共价键合于碳颗粒。这些基团是亲水的，用于当通过使疏水碳颗粒在水中悬浮而制造胶体时提高分散稳定性。羧基具有最高的亲水性，并且对碳颗粒的分散稳定性具有显著贡献。而且，碳胶体被羧基酸化。

当制造碳颗粒以制备碳胶体时，调整工艺以进一步产生羧基。然而，由于该方法具有局限性，其有时化学氧化所述碳颗粒。通过使用硝酸，碳颗粒基本上被氧化。在碳纳米管具有极低化学反应性的情况下，通过使用浓硫酸和浓硝酸的混合物氧化纳米管，以在纳米管周围产生羧基。而且，为了通过氧化碳颗粒来产生尽可能多的羧基，需要将碳颗粒分裂为较小尺寸。假定碳的总量相等，如果颗粒尺寸较小，那么碳的表面积则增加，由此产生更多羧基。而且，小颗粒越多，在水溶液中沉淀的颗粒就越少，因而使碳胶体变得更加稳定。尤其是，已知如果尺寸小于50纳米，则颗粒不受重力影响，因而不会沉淀。

为了制造没有诸如硝酸、表面活性剂等添加剂的高纯度碳胶体，应将碳颗粒分裂为50纳米的颗粒，并且应该在碳表面上产生大量羧基而不使用添加剂。然而，还没有将制造的碳颗粒分裂为更小尺寸的方法。而且，也没有不使用诸如硝酸的添加剂而增加羧基的方法。因此，为了通过常规技术制造高纯度碳胶体，需要用添加剂氧化硝酸的工艺和提纯移除添加剂杂质的工艺。同时，如果碳颗粒的粒径大于数微米，则可利用过滤器过滤所述碳颗粒并用纯溶剂再次溶解。在这种情况下，如果碳颗粒具有数纳米的粒径，则难以通过常规技术过滤碳颗粒，并且过滤碳颗粒所需的成本和时间过多。因此，为了制造高纯度的稳定碳胶体，需要分裂碳颗粒和制造大量羧基而不使用诸如硝酸的氧化剂的技术。

发明内容

技术问题

因此，提出本发明以解决现有技术中存在的上述问题，并且本发明的一个目的是提供制造在水或水溶液中均匀分散和稳定保持的胶体碳纳米颗粒的方法，其中不需要加入添加剂的工艺。

本发明的另一目的是提供用于通过上述方法制造胶体碳纳米颗粒的设备。

本发明另外的优点、目的和特征将部分在随后的说明中进行阐述，并且对于本领域技术人员而言，部分将在检验以下内容后变得显而易见或可从本发明的实施中了解。

技术解决方案

为了实现上述目的，提供制造在水或水溶液中均匀分散的胶体碳纳米颗粒的方法，所述方法包括电化学氧化碳以使碳微细分裂并在所述碳的表面上产生羧基。

所述方法还包括制备具有碳氧化电极和相反电极的电解池，该电解池包含电解液和碳，并且通过在碳氧化电极和相反电极之间施加电来实施电解。

在电解步骤中，电解池中的碳被氧化并微细分裂，并且在碳的表面上产生羧基。

在电解步骤中，对电解液施加超声波。优选交替施加低频、中频和高频的超声波。

优选地，电解液在碳氧化电极和相反电极之间流动。

碳氧化电极和相反电极由选自石墨化碳片、金属片和涂有氧化物膜的金属片中的任意其一制成。

包含在电解池中的碳是选自碳黑、碳纳米管、石墨粉、富勒烯、非晶碳和石墨片中的至少其一。

对碳氧化电极和相反电极施加直流电压、交流电压或脉冲电压。

电解步骤保持20～500小时，其中碳氧化电极的电流密度是3～20mA/cm²。

所述方法可进一步包括利用超声波对沉淀至少一天或被过滤的所制造的胶体碳纳米颗粒进行再处理。

通过上述方法制造的碳纳米颗粒处于下一工艺的初始阶段。

根据本发明的另一方面，提供用于制造在水或水溶液中均匀分散的胶体碳纳米颗粒的设备，该设备包括含有电解液和碳的电解池、彼此间隔并浸没在电解液中的碳氧化电极和相反电极、和用于在碳氧化电极和相反电极之间施加电的电源单元，其中使电解池中的碳被氧化和微细分裂，并且在碳的表面产生羧基。

该设备还包括用于对电解池中的电解液交替施加低频、中频和高频超声波的第一超声发生单元。