專利名稱：一種聚乙二醇介質(zhì)電弧放電制備洋蔥狀富勒烯的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種聚乙二醇介質(zhì)電弧放電制備洋蔥狀富勒烯的方法，屬有機(jī)化 合物碳材料合成方法的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
洋蔥狀富勒烯Nano-structured Onion-Like Fullerenes ，簡稱NOLFs，具有獨(dú)特 的結(jié)構(gòu)形貌和優(yōu)良的物理、化學(xué)性能，是碳的第四種同素異形體，富勒烯是籠狀 碳原子簇物質(zhì)的總稱，其形貌具有空心、洋蔥狀包覆層結(jié)構(gòu)，富勒烯族的C60、 碳納米管和納米洋蔥狀富勒烯由于具有多學(xué)科潛在的應(yīng)用價(jià)值，己成為當(dāng)今世界 各國科學(xué)家研究的焦點(diǎn)和熱點(diǎn)，屬前沿科學(xué)，其研究價(jià)值、應(yīng)用價(jià)值已引起了學(xué) 術(shù)界、科研領(lǐng)域的廣泛注意。
目前，#制備洋蔥狀富勒烯的方法有多種形式，例如電子束輻照法、化學(xué)氣 相沉積法、碳離子束注入法、水下電弧放電法、內(nèi)包金屬法、介質(zhì)放電法、催化 劑法等，其介質(zhì)有的使用酸性溶液、堿性溶液、碳元素溶液，例如液苯、液氮 等，這些方法和溶液雖然以不同方式生成了洋蔥狀富勒烯結(jié)構(gòu)形貌，但洋蔥狀富 勒烯大都以副產(chǎn)物形式出現(xiàn)，有的制取設(shè)備復(fù)雜，工藝流程長，難以掌握和控制， 環(huán)境污染嚴(yán)重，產(chǎn)物形貌不均勻，純度低，產(chǎn)物收率低，成本高，不能滿足工業(yè) 領(lǐng)域需要，制備過程中也存在一些弊端和不足
發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的
本發(fā)明的目的就是針對背景技術(shù)的不足，采用一種新的制備工藝流程，采用 直流電弧放電法，以聚乙二醇為介質(zhì)，以直流電源為電弧放電源，以石墨棒做電 極的陰極和陽極，通過在聚乙二醇溶液內(nèi)的電極電弧放電，制備分解出洋蔥狀富 勒烯產(chǎn)物，再經(jīng)抽濾提取、氧化法純化、射頻等離子體法修飾，最終制得空心洋
蔥狀富勒烯產(chǎn)物，以達(dá)到制備流程短，使用設(shè)備少，大幅度提高洋蔥狀富勒烯產(chǎn) 物收率、純度及性能的目的。
技術(shù)方案
本發(fā)明使用的化學(xué)物質(zhì)原料為聚乙二醇、陽極石墨棒、陰極石墨片、鹽酸、 去離子水、氧氣、氬氣、水，其組合配比是以克、毫升、厘米3為計(jì)量單位
聚乙二醇HO(CH2CH20)4H 3000ml土10ml 陽極石墨棒C6 06x70mm 陰極石墨片C6 030x10mm 鹽酸HC1 500ml土5ml 去離子水H20 3000ml±10ml 氧氣02 3000cm3±100cm3 氬氣Ar 6000cm3±100cm3 水H20 5000ml土100ml
制備方法如下
(1) 精選化學(xué)物質(zhì)原料
對制備所需的化學(xué)物質(zhì)原料要進(jìn)行精選，并進(jìn)行精度、純度、濃度控制
聚乙二醇純度99.9%，粘稠度4.3cSt 陽極石墨棒含碳量99.9% 陰極石墨片含碳量99.9%
鹽酸濃度38%
去離子水99.99%
氧氣95% 氬氣95%
(2) 清洗電弧放電槽
① 將鹽酸200ml±5ml置于電弧放電槽內(nèi)，用毛刷刷洗槽底及槽壁；
② 將去離子水1500mhtlOml置于電弧放電槽內(nèi)，用毛刷刷洗槽底及槽壁， 然后晾干；
(3) 清洗電極、電極桿
① 將鹽酸100ml土5ml置于清洗容器內(nèi)，用毛刷刷洗陽極、陰極及電極桿；
② 將去離子水500ml±10ml置于清洗容器內(nèi)，用毛刷刷洗陽極、陰極及電 極桿，并晾干；
(4) 固定安裝陽極石墨棒和陰極石墨片
將06x70mm的陽極石墨棒固定在陽極桿夾頭上； 將030x10mm的陰極石墨片固定在陰極桿夾頭上； 陽極石墨棒和陰極石墨片在同一水平軸線上； 陽極石墨棒和陰極石墨片之間的距離持續(xù)保持在lmm±0.1mm;
(5) 置放聚乙二醇
將聚乙二醇粘稠狀溶液2500mhtl0ml，通過漏斗加入電弧放電槽內(nèi)，并將陽 電極石墨棒和陰極石墨片浸沒在聚乙二醇溶液中；
(6) 冷卻水箱注水并循環(huán)
將電弧放電槽外部的冷卻水箱注入冷卻水4000ml±100ml; 開啟水循環(huán)系統(tǒng)及進(jìn)出水管，進(jìn)行水流冷卻循環(huán)；
(7) 聚乙二醇介質(zhì)電弧放電制備產(chǎn)物溶液
① 開啟電弧放電控制器、直流電源顯示器，接通陰極石墨片和陽極石墨棒， 直流電弧放電電壓為23~25V、電流為30 32A、功率為600-700W;
② 瞬時(shí)電弧放電，電弧放電時(shí)間為60min±5min，每次放電時(shí)間為 5min土0.5min，間歇時(shí)間為2 3min，電弧瞬時(shí)放電弧心溫度為3527°C±5°C;
③ 電弧放電過程中，陽極石墨棒被緩慢消耗，陽極石墨棒進(jìn)給控制器按消耗 量值程序控制進(jìn)給速度和距離，以保證陽極石墨棒和陰極石墨片的距離持續(xù)保持 在lmm土0.1mm;
④ 當(dāng)電弧放電出現(xiàn)耀眼亮光時(shí)，迅速由漏斗加入去離子水，加入量為 80ml±5ml，使電弧放電驟然冷卻；
⑤ 聚乙二醇溶液介質(zhì)在進(jìn)行電弧劇烈放電過程中，將發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)式
如下
3527°C±5°C
OH(CH2CH20)4H + H20-- C + CaHb + H20 + H2 t
60min±5min
式中
C一碳族富勒烯 CJib—碳?xì)溆袡C(jī)物 H2—?dú)錃?br> (8) 冷卻
電弧放電后關(guān)閉電源，聚乙二醇+去離子水+碳混合溶液隨電弧放電槽自然冷
卻至20。C土3'C，冷卻時(shí)間為120min;
(9) 收集產(chǎn)物溶液
將電弧放電冷卻的聚乙二醇+去離子水+碳混合溶液置于不銹鋼容器中，備
用；
(10) 提取產(chǎn)物濾餅
① 將聚乙二醇+去離子水+碳混合溶液置于玻璃管中，在低速離心機(jī)中提取產(chǎn) 物濾餅，轉(zhuǎn)速為3000r/min，時(shí)間為4min土lmin，提取后，去除上層廢液，留下 濾餅；
② 加入去離子水15mhtlml，用玻璃棒攪拌2min，開啟離心機(jī)進(jìn)行清洗；
③ 離心機(jī)提取、清洗重復(fù)進(jìn)行三次，留存產(chǎn)物濾餅；
(11) 真空烘干
將離心機(jī)提取清洗得到的產(chǎn)物濾餅置于蒸發(fā)皿上，然后置于真空干燥箱中進(jìn) 行烘干，干燥溫度為90。C土rC，干燥時(shí)間為240min±2min，干燥后得產(chǎn)物粉末；
(12) 研磨、過篩
將烘干的產(chǎn)物粉末置于瑪瑙研缽中，用瑪瑙研棒進(jìn)行研磨，并過篩，篩網(wǎng)目 數(shù)為300目，反復(fù)進(jìn)行，得到最終產(chǎn)物，g卩黑色、中空、洋蔥狀富勒烯產(chǎn)物粉 末；
(13) 氧化去除有機(jī)物、無定形碳
① 將產(chǎn)物粉末置于石英舟內(nèi)；
② 將石英舟置于管式高溫爐石英管內(nèi)高溫區(qū)；
③ 打開氧氣瓶、氬氣瓶，向管式高溫爐的石英管中同時(shí)連續(xù)輸入氬氣、氧氣， 輸入速度分別為120cm3/min、 30cm3/min，開啟石英管出氣孔，自動(dòng)調(diào)節(jié)石英管 內(nèi)氣壓；
④ 開啟管式高溫爐，在氧氣和氬氣氣氛下，溫度由2(TC土3'C升至45(rC土5。C， 升溫速度為15°C/min，升溫時(shí)間為30min土2min，恒溫、保溫、純化時(shí)間為 30min土2min;
⑤ 輸入的氧氣可加速有機(jī)物雜質(zhì)燃燒揮發(fā)，氬氣為產(chǎn)物保護(hù)氣體；
⑥ 純化后，有機(jī)物雜質(zhì)、無定形碳揮發(fā)；
⑦ 冷卻
關(guān)閉管式高溫爐，關(guān)閉氧氣瓶，在氬氣氣氛下，隨爐冷卻至2(TC±3°C，冷 卻時(shí)間為210min;
(14) 射頻等離子法修飾洋蔥狀富勒烯產(chǎn)物性能 在射頻等離子體源上，將純化后的產(chǎn)物粉末置于陶瓷舟內(nèi)，并置于射頻等離
子體源上，輸入氬氣、氧氣，輸入速度分別為24cm"min和5.5cm"min，修飾時(shí) 間為60min±lmin，產(chǎn)物表面引入含氧官能團(tuán)，改善產(chǎn)物性能；
(15) 檢測、分析、表征
對制取的黑色、中空、洋蔥狀富勒烯產(chǎn)物進(jìn)行形貌、色澤、成分、含碳量進(jìn)
行分析、檢測、表征；
用X射線衍射儀對產(chǎn)物結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測、分析； 用場發(fā)射掃描電鏡放大10萬倍，對產(chǎn)物進(jìn)行形貌分析； 用高分辨電子顯微鏡放大40萬倍，對產(chǎn)物的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析； 結(jié)論產(chǎn)物形貌為黑色、中空、洋蔥狀包覆，產(chǎn)物顆粒直徑為20~30nm，中
空直徑為3~10nm，洋蔥狀包覆層厚度為7~15nm，層間距為0.338nm，殼層數(shù)量
為15~40層；
(16) 儲(chǔ)存
對制備的黑色、中空、洋蔥狀富勒烯產(chǎn)物粉末置于無色透明的玻璃容器中， 密閉存儲(chǔ)于干燥、潔凈環(huán)境，要防火、防水、防酸堿侵蝕，存儲(chǔ)溫度為20°C±3°C， 相對濕度《30%。
所述的聚乙二醇介質(zhì)電弧放電制備洋蔥狀富勒烯，是以聚乙二醇為放電介質(zhì) 和原料，以陽極石墨棒、陰極石墨片為電弧放電電極，以去離子水為驟然冷卻劑， 以氧氣為產(chǎn)物純化、修飾氣體，以氬氣為產(chǎn)物純化、修飾保護(hù)氣體，以去離子水
為產(chǎn)物濾餅清洗劑，以水為電弧放電槽循環(huán)冷卻劑。
所述的聚乙二醇介質(zhì)電弧放電制備洋蔥狀富勒烯的方法，直流電弧放電電壓 為23 25V、電流為30 32A、功率為600-700W。
所述的聚乙二醇介質(zhì)電弧放電制備洋蔥狀富勒烯的方法，電弧放電陰極與陽 極之間的距離保持在lmm±0.1mm，電弧放電時(shí)間為60min±5min，每次放電時(shí)間 為5min±0.5min，間歇時(shí)間為2 3min，電弧瞬時(shí)放電弧心溫度為3527°C±5°C。
所述的聚乙二醇介質(zhì)電弧放電制備洋蔥狀富勒烯的方法，其產(chǎn)物形貌為黑 色、中空、洋蔥狀，產(chǎn)物直徑為20~30nm，洋蔥狀層間距為0.338mn，殼層數(shù)量 為15~40層，中空直徑為3~10nm。
所述的電弧放電制備洋蔥狀富勒烯的電弧放電裝置，電弧放電槽為玻璃箱體 10，玻璃箱體10安裝在箱體座4上，上部為箱蓋25，箱體10內(nèi)為聚乙二醇溶 液9，在溶液9內(nèi)置放陰極5、陰極石墨片6、陽極7、陽極石墨棒8，陰極5通 過陰極桿20穿過箱蓋25聯(lián)接連桿21、陰極支架27、陰極座3，并由螺栓19固 定，同時(shí)由陰極導(dǎo)線23聯(lián)接直流電源2的負(fù)極；陽極7通過陽極桿15穿過箱蓋 25聯(lián)接絲杠14、限位塊26、陽極支架12、陽極座ll、調(diào)節(jié)手柄13、陰陽極距 離調(diào)控器32，并由螺栓16固定，同時(shí)由導(dǎo)線22聯(lián)接直流電源2的正極；直流 電源2聯(lián)接電弧放電控制器1;箱體10外部為玻璃循環(huán)冷卻水箱31，并聯(lián)接進(jìn) 水閥29、出水閥30，冷卻水箱31內(nèi)為冷卻水，箱蓋25上裝有漏斗17、漏斗座 24、閥18、氣孔28。
有益效果
本發(fā)明與背景技術(shù)相比具有明顯的先進(jìn)性，它是以聚乙二醇為放電介質(zhì)和原 料，以陽極石墨棒、陰極石墨片為碳元素電弧放電電極，以去離子水為電弧放電 驟然冷卻劑，以氧氣為產(chǎn)物純化、修飾劑，以氬氣為保護(hù)氣體，以去離子水為產(chǎn) 物濾餅清洗劑，以水為電弧放電槽的循環(huán)冷卻劑，電弧放電采用直流電壓
23~25V，電流強(qiáng)度為30~32A，功率為600 700W，電弧瞬時(shí)放電溫度為3527°C， 通過聚乙二醇介質(zhì)電弧放電，陰極石墨片和陽極石墨棒的碳元素溶解于聚乙二醇 介質(zhì)內(nèi)，與聚乙二醇內(nèi)的碳元素混合，制成聚乙二醇+去離子水+碳混合溶液，混 合溶液經(jīng)離心機(jī)提取，得到濾餅，經(jīng)去離子水洗滌、烘干、研磨、過篩，制得產(chǎn) 物粉末，經(jīng)管式高溫爐氧氣、氬氣純化，經(jīng)射頻等離子體修飾，最終制得黑色粉 末產(chǎn)物，即洋蔥狀富勒烯，產(chǎn)物形貌為中空、洋蔥狀結(jié)構(gòu)，產(chǎn)物直徑為20~30nm， 中空直徑為3 10nm，含碳量高，可達(dá)99.9%，產(chǎn)物收率高，可達(dá)72%，其化學(xué)、 物理性能好，可在多種工業(yè)領(lǐng)域和碳材料領(lǐng)域使用，此制備方法工藝流程短，環(huán) 境污染小，產(chǎn)收率高，材料來源豐富，是十分理想的制備納米級(jí)洋蔥狀富勒烯的 方法。


圖1為制備工藝流程圖 圖2為電弧放電制備狀態(tài)圖 圖3為產(chǎn)物純化狀態(tài)圖
圖4為場發(fā)射掃描電鏡放大10萬倍產(chǎn)物形貌圖 圖5為高分辨電鏡放大40萬倍產(chǎn)物形貌圖 圖6為高分辨電鏡放大40萬倍產(chǎn)物形貌圖 圖7為產(chǎn)物X射線衍射強(qiáng)度圖譜
圖中所示，附圖標(biāo)記清單圖下
1、電弧放電控制器，2、直流電源，3、陰極座，4、箱體座，5、陰極，6、 陰極石墨片，7、陽極，8、陽極石墨棒，9、聚乙二醇溶液，10、玻璃箱體，11、 陽極座，12、陽極支架，13、調(diào)節(jié)手柄，14、絲杠，15、陽極桿，16、螺栓，17、 漏斗，18、閥，19、螺栓，20、陰極桿，21、連桿，22、陽極導(dǎo)線，23、陰極導(dǎo) 線，24、漏斗座，25、箱蓋，26、限位塊，27、陰極支架，28、氣孔，29、進(jìn)水 閥，30、出水閥，31、玻璃冷卻水箱，32、陰陽極距離調(diào)控器，33、管式高溫爐 體，34、石英管，35、導(dǎo)軌，36、產(chǎn)物舟，37、電阻加熱器，38、管腔，39、高 溫區(qū)，40、氧氣瓶，41、氧氣管，42、氧氣闊，43、氬氣瓶，44、氬氣管，45、
氬氣閥，46、出氣孔，47、產(chǎn)物粉末。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步說明
圖1所示，為制備工藝流程圖，各工藝步驟要嚴(yán)格控制，按序操作。 制備所需的化學(xué)物質(zhì)原料聚乙二醇、陰極石墨片、陽極石墨棒、鹽酸、去離
子水、氧氣和氬氣，是按預(yù)先設(shè)置的數(shù)值范圍確定的，以克、毫升、厘米3為計(jì)
量單位，當(dāng)工業(yè)化制取時(shí)，以千克、升、米3為計(jì)量單位。
對制備所需的化學(xué)物質(zhì)原料要嚴(yán)格精選，并進(jìn)行純度、含碳量控制，不得有
雜質(zhì)介入，以防生成副產(chǎn)物。
化學(xué)反應(yīng)式中的CaHb代表碳?xì)溆袡C(jī)物，其a、 b值分別為a《8， b=2a+2。
氧氣是產(chǎn)物純化的助燃劑，要用量充足。
氬氣是產(chǎn)物純化、修飾的惰性保護(hù)氣體，要用量充足。
陰極石墨片、陽極石墨棒要嚴(yán)格控制在同一水平軸線上，之間的距離要持續(xù) 保持在lmm±0.1mm，要用陰陽極距離調(diào)控器自動(dòng)程序控制，以保證電弧放電時(shí) 陰極石墨片、陽極石墨棒的電弧放電效果和準(zhǔn)確性，在瞬時(shí)放電過程中要及時(shí)、 準(zhǔn)確、快速、驟然加入去離子水進(jìn)行冷卻，由漏斗閥控制好時(shí)間和用量， 一定要 對準(zhǔn)電弧放電部位。
電弧放電參數(shù)要準(zhǔn)確，直流電壓為23-25V,電流強(qiáng)度為30~32A，功率為 600~700W，電弧瞬時(shí)放電弧心溫度為3527°C±5°C，要保證放電時(shí)間為 60min土5min，每次放電時(shí)間為5min±0.5min，間歇2~3min，以保證安全。
離心機(jī)提取、清洗、烘干、研磨、過篩產(chǎn)物，要嚴(yán)格進(jìn)行。
圖2所示，為電弧放電裝置結(jié)構(gòu)圖，玻璃箱體10為耐熱高溫的鋼化玻璃， 冷卻水箱31亦為鋼化玻璃，以便能看到電弧放電狀況，聯(lián)接部位要正確，陰極 石墨片和陽極石墨棒之間距離要用距離調(diào)控器32控制，保證間距為 lmm±0.1mm，以保證放電參數(shù)及石墨棒消耗后的距離恒定。
圖3所示，為產(chǎn)物純化狀態(tài)圖，管式高溫爐體33內(nèi)為石英管34，內(nèi)部為管 腔38，中間外部為電阻加熱器37，并對準(zhǔn)內(nèi)部高溫區(qū)39，高溫區(qū)39內(nèi)裝有產(chǎn) 物舟36、產(chǎn)物粉末47，石英管34在導(dǎo)軌35上滑動(dòng)，石英管34左部并排裝有氧
氣瓶40、氧氣管41、氧氣閥42、氬氣瓶43、氬氣管44、氬氣闊45，右側(cè)上部 為出氣孔46。
圖4所示，為場發(fā)射掃描電鏡放大10萬倍產(chǎn)物形貌圖，圖中可知產(chǎn)物粉 末呈顆粒狀，為不規(guī)則堆積，標(biāo)尺單位為100nm。
圖5所示，為高分辨電鏡放大40萬倍產(chǎn)物形貌圖，圖中可知產(chǎn)物為中空 洋蔥狀包覆，層與層之間清晰，殼層為15 40層，標(biāo)尺單位為5nm。
圖6所示，為高分辨電鏡放大40萬倍產(chǎn)物形貌圖，圖中可知產(chǎn)物包覆層 分布清晰，石墨化程度高，標(biāo)尺單位為5nm。
圖7為X射線衍射強(qiáng)度圖譜，產(chǎn)物在29為26.3°處有一個(gè)強(qiáng)峰，在26為44.6° 和54.5。處有次強(qiáng)峰，分別對應(yīng)于石墨的(002)、 (100)、 (004)的衍射，29為 26.3°處，峰形強(qiáng)度尖銳，半峰寬較窄，沒有彌散峰寬，表明碳原子堆積有序。
權(quán)利要求
1、一種聚乙二醇介質(zhì)電弧放電制備洋蔥狀富勒烯的方法，其特征在于使用的化學(xué)物質(zhì)原料為聚乙二醇、陽極石墨棒、陰極石墨片、鹽酸、去離子水、氧氣、氬氣、水，其組合配比是以克、毫升、厘米3為計(jì)量單位聚乙二醇HO(CH2CH2O)4H 3000ml±10ml陽極石墨棒 C6 _6×70mm陰極石墨片C6 _30×10mm鹽酸HCl 500ml±5ml去離子水H2O 3000ml±10ml氧氣O2 3000cm3±100cm3氬氣Ar 6000cm3±100cm3水H2O 5000ml±100ml制備方法如下(1)精選化學(xué)物質(zhì)原料對制備所需的化學(xué)物質(zhì)原料要進(jìn)行精選，并進(jìn)行精度、純度、濃度控制聚乙二醇純度99.9％，粘稠度4.3cSt陽極石墨棒含碳量99.9％陰極石墨片含碳量99.9％鹽酸濃度38％去離子水99.99％氧氣95％氬氣95％(2)清洗電弧放電槽①將鹽酸200ml±5ml置于電弧放電槽內(nèi)，用毛刷刷洗槽底及槽壁；②將去離子水1500ml±10ml置于電弧放電槽內(nèi)，用毛刷刷洗槽底及槽壁，然后晾干；(3)清洗電極、電極桿①將鹽酸100ml±5ml置于清洗容器內(nèi)，用毛刷刷洗陽極、陰極及電極桿；②將去離子水500ml±10ml置于清洗容器內(nèi)，用毛刷刷洗陽極、陰極及電極桿，并晾干；(4)固定安裝陽極石墨棒和陰極石墨片將_6×70mm的陽極石墨棒固定在陽極桿夾頭上；將_30×10mm的陰極石墨片固定在陰極桿夾頭上；陽極石墨棒和陰極石墨片在同一水平軸線上；陽極石墨棒和陰極石墨片之間的距離持續(xù)保持在1mm±0.1mm；(5)置放聚乙二醇將聚乙二醇粘稠狀溶液2500ml±10ml，通過漏斗加入電弧放電槽內(nèi)，并將陽電極石墨棒和陰極石墨片浸沒在聚乙二醇溶液中；(6)冷卻水箱注水并循環(huán)將電弧放電槽外部的冷卻水箱注入冷卻水4000ml±100ml；開啟水循環(huán)系統(tǒng)及進(jìn)出水管，進(jìn)行水流冷卻循環(huán)；(7)聚乙二醇介質(zhì)電弧放電制備產(chǎn)物溶液①開啟電弧放電控制器、直流電源顯示器，接通陰極石墨片和陽極石墨棒，直流電弧放電電壓為23～25V、電流為30～32A、功率為600～700W；②瞬時(shí)電弧放電，電弧放電時(shí)間為60min±5min，每次放電時(shí)間為5min±0.5min，間歇時(shí)間為2～3min，電弧瞬時(shí)放電弧心溫度為3527℃±5℃；③電弧放電過程中，陽極石墨棒被緩慢消耗，陽極石墨棒進(jìn)給控制器按消耗量值程序控制進(jìn)給速度和距離，以保證陽極石墨棒和陰極石墨片的距離持續(xù)保持在1mm±0.1mm；④當(dāng)電弧放電出現(xiàn)耀眼亮光時(shí)，迅速由漏斗加入去離子水，加入量為80ml±5ml，使電弧放電驟然冷卻；⑤聚乙二醇溶液介質(zhì)在進(jìn)行電弧劇烈放電過程中，將發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)式如下<reaction>OH(CH<sb>2</sb>CH<sb>2</sb>O)<sb>4</sb>H+H<sb>2</sb>O<chf height="32" width="85" align="middle" arrowtype="single"><upper><![CDATA[3527℃±5℃]]></upper><lower><![CDATA[60min±5min]]></lower></chf>C+C<sb>a</sb>H<sb>b</sb>+H<sb>2</sb>O+H<sb>2</sb>↑</reaction><!--img id="icf0001" file="S2007101852263C00021.gif" wi="133" he="13" top="5" left = "5" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="no"/-->式中C-碳族富勒烯CaHb-碳?xì)溆袡C(jī)物H2-氫氣(8)冷卻電弧放電后關(guān)閉電源，聚乙二醇+去離子水+碳混合溶液隨電弧放電槽自然冷卻至20℃±3℃，冷卻時(shí)間為120min；(9)收集產(chǎn)物溶液將電弧放電冷卻的聚乙二醇+去離子水+碳混合溶液置于不銹鋼容器中，備用；(10)提取產(chǎn)物濾餅①將聚乙二醇+去離子水+碳混合溶液置于玻璃管中，在低速離心機(jī)中提取產(chǎn)物濾餅，轉(zhuǎn)速為3000r/min，時(shí)間為4min±1min，提取后，去除上層廢液，留下濾餅；②加入去離子水15ml±1ml，用玻璃棒攪拌2min，開啟離心機(jī)進(jìn)行清洗；③離心機(jī)提取、清洗重復(fù)進(jìn)行三次，留存產(chǎn)物濾餅；(11)真空烘干將離心機(jī)提取清洗得到的產(chǎn)物濾餅置于蒸發(fā)皿上，然后置于真空干燥箱中進(jìn)行烘干，干燥溫度為90℃±1℃，干燥時(shí)間為240min±2min，干燥后得產(chǎn)物粉末；(12)研磨、過篩將烘干的產(chǎn)物粉末置于瑪瑙研缽中，用瑪瑙研棒進(jìn)行研磨，并過篩，篩網(wǎng)目數(shù)為300目，反復(fù)進(jìn)行，得到最終產(chǎn)物，即黑色、中空、洋蔥狀富勒烯產(chǎn)物粉末；(13)氧化去除有機(jī)物、無定形碳①將產(chǎn)物粉末置于石英舟內(nèi)；②將石英舟置于管式高溫爐石英管內(nèi)高溫區(qū)；③打開氧氣瓶、氬氣瓶，向管式高溫爐的石英管中同時(shí)連續(xù)輸入氬氣、氧氣，輸入速度分別為120cm3/min、30cm3/min，開啟石英管出氣孔，自動(dòng)調(diào)節(jié)石英管內(nèi)氣壓；④開啟管式高溫爐，在氧氣和氬氣氣氛下，溫度由20℃±3℃升至450℃±5℃，升溫速度為15℃/min，升溫時(shí)間為30min±2min，恒溫、保溫、純化時(shí)間為30min±2min；⑤輸入的氧氣可加速有機(jī)物雜質(zhì)燃燒揮發(fā)，氬氣為產(chǎn)物保護(hù)氣體；⑥純化后，有機(jī)物雜質(zhì)、無定形碳揮發(fā)；⑦冷卻關(guān)閉管式高溫爐，關(guān)閉氧氣瓶，在氬氣氣氛下，隨爐冷卻至20℃±3℃，冷卻時(shí)間為210min；(14)射頻等離子法修飾洋蔥狀富勒烯產(chǎn)物性能在射頻等離子體源上，將純化后的產(chǎn)物粉末置于陶瓷舟內(nèi)，并置于射頻等離子體源上，輸入氬氣、氧氣，輸入速度分別為24cm3/min和5.5cm3/min，修飾時(shí)間為60min±1min，產(chǎn)物表面引入含氧官能團(tuán)，改善產(chǎn)物性能；(15)檢測、分析、表征對制取的黑色、中空、洋蔥狀富勒烯產(chǎn)物進(jìn)行形貌、色澤、成分、含碳量進(jìn)行分析、檢測、表征；用X射線衍射儀對產(chǎn)物結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測、分析；用場發(fā)射掃描電鏡放大10萬倍，對產(chǎn)物進(jìn)行形貌分析；用高分辨電子顯微鏡放大40萬倍，對產(chǎn)物的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析；結(jié)論產(chǎn)物形貌為黑色、中空、洋蔥狀包覆，產(chǎn)物顆粒直徑為20～30nm，中空直徑為3～10nm，洋蔥狀包覆層厚度為7～15nm，層間距為0.338nm，殼層數(shù)量為15～40層；(16)儲(chǔ)存對制備的黑色、中空、洋蔥狀富勒烯產(chǎn)物粉末置于無色透明的玻璃容器中，密閉存儲(chǔ)于干燥、潔凈環(huán)境，要防火、防水、防酸堿侵蝕，存儲(chǔ)溫度為20℃±3℃，相對濕度＝30％。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種聚乙二醇介質(zhì)電弧放電制備洋蔥狀富勒烯的 方法，其特征在于所述的聚乙二醇介質(zhì)電弧放電制備洋蔥狀富勒烯，是以聚乙 二醇為放電介質(zhì)和原料，以陽極石墨棒、陰極石墨片為電弧放電電極，以去離子 水為驟然冷卻劑，以氧氣為產(chǎn)物純化、修飾氣體，以氬氣為產(chǎn)物純化、修飾保護(hù) 氣體，以去離子水為產(chǎn)物濾餅清洗劑，以水為電弧放電槽循環(huán)冷卻劑。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種聚乙二醇介質(zhì)電弧放電制備洋蔥狀富勒烯的方法，其特征在于所述的聚乙二醇介質(zhì)電弧放電制備洋蔥狀富勒烯的方法，直流電弧放電電壓為23~25V、電流為30 32A、功率為600~700W。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種聚乙二醇介質(zhì)電弧放電制備洋蔥狀富勒烯的 方法，其特征在于所述的聚乙二醇介質(zhì)電弧放電制備洋蔥狀富勒烯的方法，電 弧放電陰極與陽極之間的距離保持在lmm±0.1mm，電弧放電時(shí)間為 60min±5min，每次放電時(shí)間為5min±0.5min，間歇時(shí)間為2 3min，電弧瞬時(shí)放 電弧心溫度為3527°C±5°C。
5、根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種聚乙二醇介質(zhì)電弧放電制備洋蔥狀富勒烯的 方法，其特征在于所述的聚乙二醇介質(zhì)電弧放電制備洋蔥狀富勒烯的方法，其 產(chǎn)物形貌為黑色、中空、洋蔥狀，產(chǎn)物直徑為20~30nm，洋蔥狀層間距為0.338nm， 殼層數(shù)量為15~40層，中空直徑為3~10nm。
6、根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種聚乙二醇介質(zhì)電弧放電制備洋蔥狀富勒烯的 方法，其特征在于所述的電弧放電制備洋蔥狀富勒烯的電弧放電裝置，電弧放 電槽為玻璃箱體(IO)，玻璃箱體(10)安裝在箱體座(4)上，上部為箱蓋(25)，箱體(IO) 內(nèi)為聚乙二醇溶液(9)，在溶液(9)內(nèi)置放陰極(5)、陰極石墨片(6)、陽極(7)、陽極 石墨棒(8)，陰極(5)通過陰極桿(20)穿過箱蓋(25)聯(lián)接連桿(21)、陰極支架(27)、陰 極座(3)，并由螺栓(19)固定，同時(shí)由陰極導(dǎo)線(23)聯(lián)接直流電源(2)的負(fù)極；陽極 (7)通過陽極桿(15)穿過箱蓋(25)聯(lián)接絲杠(14)、限位塊(26)、陽極支架(12)、陽極 座(ll)、調(diào)節(jié)手柄(13)、陰陽極距離調(diào)控器(32)，并由螺栓(16)固定，同時(shí)由導(dǎo)線 (22)聯(lián)接直流電源(2)的正極；直流電源(2)聯(lián)接電弧放電控制器(1);箱體(10)外部 為玻璃循環(huán)冷卻水箱(31)，并聯(lián)接進(jìn)水閥(29)、出水閥(30)，冷卻水箱(31)內(nèi)為冷 卻水，箱蓋(25)上裝有漏斗(17)、漏斗座(24)、閥(18)、氣孔(28)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種聚乙二醇介質(zhì)電弧放電制備洋蔥狀富勒烯的方法，它是以聚乙二醇為放電介質(zhì)和原料，以陽極石墨棒、陰極石墨片為碳元素電弧放電極，以去離子水為驟然冷卻劑，以氧氣為產(chǎn)物純化、修飾氣體，以氬氣為產(chǎn)物純化、修飾保護(hù)氣體，以去離子水為產(chǎn)物濾餅提取清洗劑，在放電槽的聚乙二醇介質(zhì)內(nèi)，陽極石墨棒、陰極石墨片電弧放電碳元素溶解于聚乙二醇介質(zhì)內(nèi)，制成聚乙二醇+去離子水+碳的混合溶液，經(jīng)離心機(jī)提取產(chǎn)物濾餅，經(jīng)洗滌、烘干、研磨、過篩，制成產(chǎn)物粉末，經(jīng)純化、修飾，制得黑色、中空、洋蔥狀富勒烯產(chǎn)物，產(chǎn)物直徑為20～30nm，含碳量高達(dá)99.9％，產(chǎn)率高達(dá)72％，此方法工藝流程短，環(huán)境污染小。
文檔編號(hào)C01B31/00GK101181991SQ20071018522
公開日2008年5月21日 申請日期2007年11月8日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月8日
發(fā)明者劉旭光, 吉衛(wèi)云, 嫻 藺, 許并社, 郭明聰 申請人:太原理工大學(xué)