[发明专利]一种链状碳纳米球的高效合成方法

说明书

技术领域

本发明属于碳纳米材料制备技术，尤其涉及一种链状碳纳米球的高效合成方法。

背景技术

在过去的几十年中，富勒烯和碳纳米洋葱等球形碳材料得到了广泛的研究，但碳纳米球早期常被作为富勒烯和碳纳米洋葱的副产物而未作过多的深入研究。事实上，碳纳米球是继富勒烯和碳纳米管之后的又一种新型纳米碳材料，由于其具有球形结构、稳定的物理化学性质、比表面积大、优异的电磁性能和良好的生物相容性等，使得碳纳米球及其改性产物在锂离子电池、超级电容器、催化剂载体、复合材料增强体、药物包裹、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领域都有着巨大的潜在性应用价值，其有望成为高科技领域的先进材料。因此，近些年该种材料逐渐引起了人们的重视。到目前为止，虽然已经有很多关于碳纳米球合成的工艺报道。然而，复杂的工艺过程、较高的实验成本、较小的合成产率、较低的样品纯度等问题大大地束缚了其应用研究和产品开发。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种链状碳纳米球的高效合成方法，以解决现有技术因碳纳米球存在低纯度、小产率和高成本等方面缺陷而带来的其应用研究和产品开发的束缚。

本发明的技术方案是：一种链状碳纳米球的高效合成方法，包含以下步骤：(1)将FeCl₂·4H₂O或CoCl₂·6H₂O或NiCl₂·6H₂O与柠檬酸颗粒和无水乙醇按照1mol:1.5mol:100mL的数量比例混合，60±10℃水浴搅拌6±2个小时后，将所得溶胶在烘箱中80±20℃热处理6±4小时后，再升温至150±30℃热处理直至得到相应干凝胶；(2)将所得干凝胶在空气中450±50℃热处理4±2个小时后即可得到所需催化剂前驱体粉末(氧化铁、氧化钴或氧化镍纳米颗粒)；(3)将一定量的催化剂前驱物粉末平铺在小瓷舟内，在氩气的保护下，将反应温度由室温升高至特定温度，关闭氩气并立即切换通入氢气，将所得催化剂前驱物在该特定温度下利用氢气还原1-4个小时；(4)在氩气的保护下升温至550-600℃，并立即切换通入乙炔和水蒸汽2个小时，待冷却至室温，可收集到大量黑色样品。

在其他条件不变的情况下，步骤(3)中氧化铁和氧化钴纳米颗粒的特定还原温度均为550℃，氧化镍纳米颗粒的特定还原温度为375℃。

本发明的有益效果：本发明的目的是通过系统的实验分析和总结，设计出一套高纯链状碳纳米球的高产率合成方案，为该种先进功能材料的相关研究和实际应用开发奠定坚实的物质基础。本发明利用溶胶凝胶法分别制备出氧化铁、氧化钴和氧化镍纳米颗粒并以此作为催化剂前驱物，通过氢气还原法得到相应的催化剂纳米颗粒，通过水蒸汽辅助的原位催化裂解乙炔方法研究高纯链状碳纳米球的高产合成。如表一所示，研究结果表明水蒸汽的引入不但可以提高碳纳米材料的合成产率而且还决定了链状碳纳米球的形成。并且，实验还可以通过调变催化剂的种类达到进一步提高碳纳米球合成产率的目的，这也是本发明的优点所在。因而，与之前所报道的工艺条件相比，该合成工艺可在较低的实验成本下，能够很好地同时确保了链状碳纳米球的高产率和高纯度，而且所选定不同种类催化剂只改变其产率，对其形貌和纯度基本无影响。

本发明的方法是利用水蒸汽辅助的催化化学气相沉积法合成出高纯、高产率的链状碳纳米球。通过调控水蒸汽的引入速率、催化剂的种类等工艺参数，实现高纯链状碳纳米球的高产合成。与之前相关文献和专利的报道相比，本发明的最大优点在于水蒸汽的引入不但可以提高碳纳米材料的合成产率，而且还决定了链状碳纳米球的形成，所合成的碳纳米球在样品中具有非常高的纯度。此外，所选定的不同种类催化剂只改变其产率，对其形貌和纯度基本无影响。从而可实现高纯链状碳纳米球的高产合成，为该类型功能材料的研究和实际应用开发提供了良好的实验基础。

用本发明制备的样品需要利用以下仪器进行物相和结构表征、分析：产品形貌采用FEI公司生产的Sirion场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)以及JEOL-2010型高分辨透射电子显微镜(HRTEM)表征。

为了很好地解决碳纳米球所存在的低纯度、低产率和高成本等问题，本发明采用水蒸汽辅助的催化化学气相沉积法，水蒸汽的引入同时确保了链状碳纳米球的高纯度和高产率。此外，所使用的不同种类催化剂只改变其产率，对其形貌和纯度基本无影响。从而可以通过调变催化剂的种类，进一步提高高纯链状碳纳米球的产率，为该类型功能材料的相关研究和产品开发奠定了坚实的实验基础。