[发明专利]一种调控碳材料形貌的方法

说明书

一种调控碳材料形貌的方法，属于碳材料制备技术领域。本发明采用碳源和催化剂、模板剂、溶剂为原料，通过化工过程强化手段超重力机预混强化原料预混过程的混合效果，采用溶剂热法在反应温度为80‑170℃、反应时间为15‑48h的实验条件下制备不同形貌的碳材料。通过改变制备过程工艺条件如超重力水平、原料配比、反应温度、模板剂用量等对碳材料形貌进行调控，可得到单分散实心碳球、项链状实心碳球、空心碳球、碗形空心碳球、带状碳纤维、碳纳米棒等多种形貌的碳材料。该制备方法具有流程短、操作简单等优点，且制备的碳材料可用作催化剂载体制备高性能催化剂、储氢材料及杂质吸附剂等。

技术领域

本发明涉及一种调控碳材料形貌的方法，具体是通过化工过程强化手段超重力机预混强化原料预混过程的混合效果，采用溶剂热法，通过改变工艺条件对碳材料的形貌进行调控，属于碳材料制备技术领域。

背景技术

中国专利专利号CN107039191-A公开了一种制备氮官能化中空介孔碳纳米球，以间苯二酚、甲醛溶液为碳源，机械搅拌预混通过溶剂热反应得到氮官能化中空介孔碳纳米球，操作流程复杂。中国专利专利号CN105217601-A公开了一种具有高比表面积的多空空心碳球的制备方法，以SiO₂球为模板，硅烷为造孔剂，以甲醛和间苯二酚为碳源，超声预混，通过包覆技术，并经炭化除硅等操作过程，得到空心碳球。中国专利专利号CN201010225264.9公开了一种同时合成碳纳米带和螺旋碳纳米管的方法，以乙炔气体为碳源，采用气相沉积法，在Fe-Cu纳米颗粒表面原位催化裂解乙炔，反应温度为400-600℃，在反应器的温度较高的区域得到黑色的螺旋碳纳米管，温度较低区域得到浅褐色碳纳米带。中国专利专利号CN104843665-A公开了一种单层及多层空心碳纳米球的制备方法，将酚类与醛类置于溶剂中机械搅拌后反应，反应得到酚醛树酯聚合物的空心球，于还原气氛中进行煅烧，既得到空心碳球。

碳材料通常采用电弧放电法、激光蒸发法、气相沉积法及溶剂热法制备。电弧放电法是最早的、最典型的碳材料合成方法，在高温条件下碳材料能最大程度地石墨化，缺陷少，能反映碳材料的真正性能，但是电弧放电剧烈，难以控制进程和产物，合成物中有杂质难分离，且反应条件苛刻。激光蒸发法能制备出高纯度的碳纳米材料，基本不需要再进行纯化，但设备复杂、能耗大、投资成本高。气相沉积法反应过程易于控制，设备简单，但生长过程需要高温，石墨化程度较差，存在较多的结晶缺陷，对碳材料的力学性能及物理化学性能会有不良的影响。高温高压下在溶剂流体中进行有关化学反应，而直接得到纳米粉体材料的方法被称为溶剂热法。溶剂条件能加速离子反应和促进水解反应，在溶剂热条件下可能实现在常规条件下难以实现或者没有价值的反应。在溶剂热条件下，溶剂可作为一种化学组分起作用并参与反应，既是溶剂又是压力、温度传递介质，通过控制其过程的物理化学因素，实现无机化合物的形成和改性，可克服某些高温制备过程中不可克服的晶型转变、分解、挥发等。溶剂热法能在较温和的实验条件下制备出碳材料，且形貌可控、晶型好，能有效的抑制原料和产物氧化、有机溶剂中的氧污染，但合成过程中无法观察晶体生长的具体过程，不利于生长机理的研究，且对反应容器有较高的要求。溶剂热反应中反应成核是一快速瞬间反应，必须使反应在反应器内瞬间达到分子级的均匀混合即微观混合，才能避免反应器中过饱和度的非均匀性，使产物形态尽可能一致。经文献调研，目前的研究者在溶剂热预混阶段多采用机械搅拌预混、超声预混等方式，为达到微观混合，必须采取特殊的进料和混合方式，于是提出在超重力环境进行预混。且超重力环境预混能在一定程度上影响产品形貌。