[发明专利]一种碳纳米球的制备方法

说明书

技术领域：

本发明涉及一种廉价制备碳纳米球的方法。

背景技术：

碳纳米球(carbon nanospheres)由碳原子组成的、同中心的单层或者多层石墨片构筑而成的球状结构材料，是继金刚石和石墨之后，发现的碳的第三种晶体形态。1985年，英国化学家(Harold WalterKroto)和美国化学家(Richard Errett Smalley)合作，在实验室制备出这种球状的碳纳米材料(Kroto，H.W.et al.Nature 318，162(1985))。从发现至今，作为材料科学和工程领域具有广泛应用的重要材料之一，已经引起了许多科学家极大的关注和深入的研究。研究表明，由于其独特的结构，碳纳米球可以作为下一代锂电池(Wang，Y.et al.Chem.Res.47，2294(2008))、新颖高效的催化剂载体(Yoo，H.et al.Chem.Commun.14，1468(2007))、药物的运载传输工具(Donath，E.etal.Angew.Chem.，Int.E.37，2202(1998))、酶和蛋白质的保护体(Caruso，F.et al.Langmuir.16，1485(2000))以及在复合材料等领域具有广泛的应用。

然而，实现这些应用的前提条件就是能够大规模地制备出低成本的碳纳米球。因而，碳纳米球的制备技术成为许多科学家科研和工程技术专家追求的目标。在这方面，努力的方向主要集中在通过石墨电弧放电来制备碳纳米球(Qiao，W.M.et al.Carbon.44，158(2006))和在高温下催化裂解有机烃类化合物，如甲烷(Wang，Z.L.et al.J PhysChem.100，17725(1996))。然而，所有这些制备技术都面临两个难题，一是原料成本或者设备成本比较昂贵；二是不适宜推广为工业化规模生产。因此，给其应用带来了很大的局限。

发明内容：

本发明的目的在于克服已有技术中的缺点及不足，提供一种通过化学气相沉积的方法低成本大量制备碳纳米球的方法。

本发明提供的技术方案是：碳纳米球的制备方法，包括以下步骤：

一、催化剂的制备：将0.5～100克的含铁化合物、0.1～30克硝酸盐、0.1～30克含钼化合物分散溶解到100毫升～2升的蒸馏水中，再加入5～200克氧化物或者碳酸盐的纳米粉末，在40～59赫兹下搅拌超声分散30～120分钟，将溶剂蒸干，在80～120℃温度下真空干燥1～12小时，最后研磨成尺寸为10～100微米的细粉，得到制备碳纳米球的催化剂。

二、碳源的制备：将碳材料在浓盐酸中浸泡1～5小时，然后用蒸馏水洗涤至中性，在80～120℃温度下真空干燥1～12小时，研磨后得到碳源；

三、碳纳米球的制备：将步骤①制备的催化剂和步骤②制备的碳源按照重量比1∶1～1∶20充分混合均匀，然后将0.5～50克混合物放进反应器中，并以每分钟10～500毫升的流量通入保护气体，将反应器升温至850～1100℃，恒温后保持5～60分钟，最后，停止加热，继续通保护气体使之冷却，得到碳纳米球。

所述的含铁化合物可以包括柠檬酸铁铵、硝酸铁、硫酸铁和/或硫酸铁铵。

所述的硝酸盐包括硝酸钴和/或硝酸镍。

所述的含钼化合物包括钼酸铵和/或磷钼酸。

所述的氧化物或碳酸盐包括：氧化镁、氧化钙、三氧化二铝、二氧化硅、碳酸镁或碳酸钙。

所述的溶剂为蒸馏水。

所述的保护气体包括：氩气、氮气或氢气。

所述的制备碳源的原材料包括树叶、麦杆、稻草或木渣。

本发明提供的碳纳米球的制备方法具有以下特征和优点：

1.本发明的碳纳米球由同中心的多层石墨片构筑而成。

2.本发明提供的碳纳米球，肉眼观察为黑色并带光泽的粉末，透射电子显微镜观察，是直径为90～130纳米的由同中心石墨片层组成的球状结构，石墨片层之间距离为0.34纳米。所制得的碳纳米球不仅包括单一的碳纳米球，而且还包括双共生和多共生的碳纳米球。

3.本发明可以实现碳纳米球的可控生长，即通过调节催化剂/载体的含量、催化剂和碳源的比例、合成温度以及高温度裂解的时间来控制碳纳米球的大小和纯度。

4.本发明提供的碳纳米球对于构筑下一代锂电池、新颖高效的催化剂载体、药物的运载传输工具、酶和蛋白质的保护体以及复合材料等具有极其重要的应用价值。