[发明专利]一种超声雾化碳化制备空心碳纳米球的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种空心碳纳米球的超声雾化高温碳化制备方法，特别是在空心碳纳米微球上负载超细氮掺杂金属纳米颗粒，此负载超细氮掺杂金属纳米颗粒的空心碳纳米球在电、磁、催化、生物技术等领域具有广泛的应用前景。

背景技术

铁氮化合物有良好的饱和磁化强度、热稳定好,且有优良的抗氧化性和耐磨性,具有良好的应用前景和实用价值。近年来发现，Fe₃N具有比Fe₃O₄高的饱和磁感应强度，在磁流体和医学造影方面有重要应用价值。纳米碳球材料具有广阔的潜在应用领域,例如锂离子电池、超级电容器、氢气/甲烷存储材料、复合材料、摩擦材料、磁性材料和微波吸收材料等，近年，纳米碳球材料的研究引起人们关注。通过有机化合物的直接热解可获得碳纳米球；以负载过渡金属的高岭土为催化体系,采用催化化学气相沉积法可以大量地制备出碳纳米球；采用多种方法也能有效的得到空心碳纳米球；炭化处理树脂的方法,能够制备出负载过渡金属的碳纳米球和中孔结构的碳纳米球。本发明发展了一种通过超声雾化制备负载超细Fe₃N的空心碳纳米球的方法。该方法具有装置简单、反应易于控制、连续生产易于放大生产的特点，通过金属离子与提供碳的有机配体在合适溶剂中混合超声雾化，经高温连续碳化即可。所制备的材料具有规整的形貌，具纳米尺寸，为该纳米材料在催化，传感，电，磁，分离，富集，生物技术等领域的广泛应用开启了广阔空间。

发明内容

本发明的目的在于提供一种简单、方便、可连续制备负载氮掺杂金属物的碳纳米材料的方法，该方法是将金属盐和有机配体溶解于溶剂中得均匀混合溶液，经超声雾化产生液滴，由惰性气体载入预先加热到一定温度的管式炉中，由惰性气体携带的液滴于管式炉内的停留时间为0.05s～8min，颗粒产物经缓冲瓶收集、溶剂洗涤后于真空干燥，得到负载超细氮掺杂金属纳米颗粒的空心碳纳米球。

本发明提供了超声雾化高温碳化制备负载超细氮掺杂金属纳米颗粒的空心碳纳米球的方法，该方法包括如下步骤：

(1)将金属盐和有机配体溶解于溶剂中得到混合均匀的溶液；

(2)将(1)中得到的混合溶液加入超声雾化器中，超声雾化产生液滴；

(3)通入惰性气体将(2)中得到的液滴，按一定流量载入预先加热的管式炉中反应，由惰性气体携带的液滴于管式炉内的停留时间为0.05s～8min，颗粒产物经缓冲瓶收集、溶剂洗涤后于真空干燥，得到负载超细氮掺杂金属纳米颗粒的空心碳纳米球。

步骤(1)中，所述金属盐为过渡金属盐(如：铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)、锰(Mn)、锌(Zn)、铜(Cu)、钛(Ti)中的一种或多种混合)和镧系金属盐(如：镨(Pr)、钕(Nd)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)、镥(Lu)中的一种或多种混合)。阴离子为硫酸根离子、氯离子、硝酸根离子、磷酸根离子中的一种。

步骤(1)中，所述有机配体可为含苯环的多羧酸有机配体为对苯二甲酸、二氨基对苯二甲酸、均三苯甲酸、间苯二甲酸、4,4-二羧基二苯醚、邻苯二甲酸、1,3,5-均苯甲酸、偏苯三酸、4，4-二苯乙烯二羧酸、羟基对苯二酸、二羟基对苯二甲酸、联苯二甲酸、氯代对苯二甲酸、硝基对苯二甲酸、磺酸基对苯二甲酸、2,6-萘二甲酸中的一种或二种以上；氮杂环化合物为2-甲基咪唑、1，3，5-三(1-咪唑基)苯、2,5-吡啶二甲酸、4-二甲氨基吡啶、咪唑、邻二氮菲中的一种或二种以上。

步骤(1)中，所述溶剂为含氮有机溶剂(如：N,N-二乙基甲酰胺、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、N,N-二甲基丙酰胺、N,N-二乙基乙酰胺、N,N-二乙基丙酰胺等)和醇类(甲醇、乙醇、丙醇、丁醇等)中的一种或二种以上。

步骤(2)中，所述超声雾化器可超声雾化产生0.02-20微米粒径大小的液滴。

步骤(3)中，所述惰性气体可为氮气(N₂)、氦(He)、氩气(Ar)的一种或多种混合；所述载气流量为0.01-3L/min；所述的预热管式炉的温度为600-1200℃；所得负载超细氮掺杂金属纳米颗粒的空心碳纳米球的粒径为10-900nm,其上所负载超细氮掺杂金属纳米颗粒的粒径为1-20nm。

附图说明

图1为本发明实施例1中超声雾化700℃高温碳化制备的负载Fe₃N的空心碳纳米球的透射电镜图；