專利名稱：一種中空碳球的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種中空碳球的制備方法，屬于無機(jī)非金屬材料制備方法技術(shù)領(lǐng)域。
技術(shù)背景碳材料具有高的化學(xué)穩(wěn)定性、較低的密度以及良好的髙溫耐熱性能。中空碳球可用作極 好的催化劑支撐物、二級鋰離子電池的陽極、潤滑劑和儲氫材料等，主要應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、制藥 學(xué)、材料學(xué)及涂料工業(yè)等領(lǐng)域。目前，制備中空碳球的方法包括介質(zhì)還原法、自組裝模板法、激光蒸餾法、電弧放電 法、有機(jī)物髙溫?zé)岱纸夂腿蹌岱ǖ取５沁@些方法一般需要使用催化劑、較長的反應(yīng)時間、 復(fù)雜的操作和昂貴的設(shè)備，同時合成的中空碳球純度較低(金屬催化劑污染)、成本較高，直 接影響了中空碳球的工業(yè)生產(chǎn)和應(yīng)用。中國專利CN 1454839A公開一種利用脈沖電流作用于含有石墨陽極和石墨陰極的電弧反 應(yīng)室，電弧反應(yīng)室需通入一種惰性氣體，利用產(chǎn)生的電弧放電反應(yīng)來制備中空納米碳球的方法o發(fā)明內(nèi)容為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種以熔融的鋅作溶劑的中空碳球的制備方法。由 于鋅具有較低的熔點(diǎn)(419.58°C),良好的溶解性(鋅及其大多數(shù)化合物在酸搣溶液、水、乙 醉或氨水中具有極好的溶解性)；同時，由于鋅比堿金屬和堿土金屬的反應(yīng)活性低，有鋅參與 的反應(yīng)容易控制。因此鋅在反應(yīng)過程中不但可以作為反應(yīng)物，也是一種很好的金屬溶劑，在 某些條件下甚至可以起到一定的催化作用。特別是鋅具有較高的密度(r7.14g/ml)，在熔化狀 態(tài)下會產(chǎn)生較大的浮力，可能會使低密度的物質(zhì)在浮力作用下垂直于液面而生長，形成特殊 的結(jié)構(gòu)和形態(tài)。本發(fā)明利用金屬鋅的這些特殊物理化學(xué)性質(zhì)，以熔融的鋅作溶劑制備中空碳 球。本發(fā)明是一種以無水乙醉作碳源、以金屬鋅作還原劑及金屬溶劑，在500'C-550'C溫度下 反應(yīng)后，再經(jīng)清洗、抽濾、烘干等工藝，制備中空碳球的方法。 通過CH3CH2OH與Zn之間的反應(yīng)制備中空碳球的反應(yīng)式為 CH3CH2OH+Zn=2C+3H2+ZnO制備工藝如下① 以無水乙醇作碳源、以金屬鋅作還原劑及金屬溶劑；② 在不銹鋼反應(yīng)釜中，將兩種物質(zhì)的混合物加熱發(fā)生反應(yīng)，加熱爐保溫一段時間后停止 加熱，使反應(yīng)釜在爐中自然冷卻到室溫；③ 反應(yīng)產(chǎn)物先經(jīng)鹽酸清洗、抽濾，除去殘余反應(yīng)物Zn及反應(yīng)副產(chǎn)物ZnO,再用去離子 水清洗產(chǎn)物，最后將產(chǎn)物在6(TC溫度下烘干3小時后，得到成品。步驟②中，無水乙醇體積與金屬鋅重量比為l:l.l—1.2ml/g。步驟②中，無水乙醇和金屬鋅這兩種物質(zhì)的混合物在不銹鋼反應(yīng)釜中，加熱至SOO^C -550'C使兩種反應(yīng)物之間發(fā)生反應(yīng)，加熱爐保溫8—10小時后停止加熱，使反應(yīng)釜在爐中自 然冷卻到室溫。本發(fā)明有益效果是使用的設(shè)備簡單而且安全性好，溫度較低(500'C-550'C), 產(chǎn)物中含中空碳球的量超過90%,反應(yīng)產(chǎn)物處理簡單，制備工藝穩(wěn)定，生產(chǎn)效率高。產(chǎn)品化 學(xué)穩(wěn)定性好、密度低、易實(shí)現(xiàn)大規(guī)模制備；中空碳球的尺寸在二十納米到四百納米之間，空 心球壁厚均勻，大約為二十納米。


圖l為樣品的X-射線衍射圖；圖2為樣品的形貌圖；圖2a為場發(fā)射掃描電鏡形貌圖； 圖2b為樣品的透射電鏡形貌圖； 圖2c為樣品的高分辨透射電鏡形貌圖。
具體實(shí)施方式
圖1是通過9.7ml乙醇和llg鋅在550'C保溫10小時后制得的空心碳球的X-射線衍射 圖。2e-25.6。處的寬化弱衍射峰為碳的(002)晶面，說明空心碳球的結(jié)晶度較低。圖2是通過9.7ml乙醇和llg鋅在550X:保溫10小時后制得樣品的形貌圖。從圖2a的場 發(fā)射掃描電鏡圖像可以看到大量不同形態(tài)的氣球狀空心碳球，這些空心球的尺寸從幾十納米 到幾百納米不等?？招那蛏嫌行〉拈_口，圖中箭頭所指即為部分空心碳球上的開口，圖2a左 下角的插圖的是一個空心球的放大像，其開口平整，壁厚均勻。圖2b是樣品的透射電鏡圖像, 可以明顯地觀察到空心碳球上的開口 (如箭頭所示)?？招那蛟陔娮邮戮峭该鞯?，說明球 的壁很薄。圖2b右上角的插圖中清楚地表明空心球上的開口及均勻的壁厚。圖2c是空心球 的高分辨電鏡像，進(jìn)一步說明空心球的壁厚均勻，大約為20納米。實(shí)施例1:通過乙醇與鋅之間的反應(yīng)制備氣球狀空心碳球。用天平稱取llgZn,用移液管量取9.7ml 無水乙醇，移入不銹鋼反應(yīng)釜中。反應(yīng)釜封緊后，在加熱爐中加熱到550'C保溫10小時后停 止加熱，反應(yīng)釜在爐中自然冷卻到室溫。反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)鹽酸清洗、抽濾，以除去殘余反應(yīng)物Zn 及反應(yīng)副產(chǎn)物ZnO，再用去離子水清洗，所得產(chǎn)物在60X:溫度下烘干3小時后，得到0.7g 黑色粉末狀成品。實(shí)施例2:通過乙醇與鋅之間的反應(yīng)制備氣球狀空心碳球。用天平稱取12gZn,用移液管量取10ml 乙醇，移入不銹鋼反應(yīng)釜中。反應(yīng)釜封緊后，在加熱爐中加熱到500'C保溫8小時后停止加 熱，反應(yīng)釜在爐中自然冷卻到室溫。反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)鹽酸清洗、抽濾，以除去殘余反應(yīng)物Zn及反 應(yīng)副產(chǎn)物ZnO,再用去離子水清洗，所得產(chǎn)物在60'C溫度下烘干3小時后，得到lg黑色粉末狀成品o實(shí)施例3:通過乙醇與鋅之間的反應(yīng)制備氣球狀空心碳球。用天平稱取llg Zn,用量筒董取10ml乙 醇，移入不銹鋼反應(yīng)釜中。反應(yīng)釜封緊后，在加熱爐中加熱到530'C保溫9小時后停止加熱， 反應(yīng)釜在爐中自然冷卻到室溫。反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)鹽酸清洗、抽濾，以除去殘余反應(yīng)物Zn及反應(yīng)副 產(chǎn)物ZnO,再用去離子水清洗，所得產(chǎn)物在60'C溫度下烘干3小時后，得到0.9g黑色粉末狀成品。實(shí)施例4:本實(shí)施例為低于所限定加熱溫度時，無法完成的實(shí)例。通過乙醇與鋅之間的反應(yīng)制備氣球狀空心碳球。用天平稱取llgZn,用移液管i取9.7ml 乙醇，移入30ml不銹鋼反應(yīng)釜中。反應(yīng)釜封緊后，在加熱爐中加熱到45(TC保溫10小時后 停止加熱，反應(yīng)釜在爐中自然冷卻到室溫。反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)鹽酸清洗、抽濾，以除去殘余反應(yīng)物 Zn及反應(yīng)副產(chǎn)物ZnO，再用去離子水清洗，所得產(chǎn)物在60'C溫度下烘干3小時后，只得到 少許反應(yīng)產(chǎn)物，說明反應(yīng)溫度稍高于金屬鋅的熔點(diǎn)，雖然進(jìn)行了較長時間的保溫，反應(yīng)仍難 以充分進(jìn)行，不能獲得大量的空心碳球。
權(quán)利要求
1、一種中空碳球的制備方法，其特征在于，它包括以下步驟①以無水乙醇作碳源、以金屬鋅作還原劑及金屬溶劑；②在不銹鋼反應(yīng)釜中，將兩種物質(zhì)的混合物加熱發(fā)生反應(yīng)，加熱爐保溫一段時間后停止加熱，使反應(yīng)釜在爐中自然冷卻到室溫；③反應(yīng)產(chǎn)物先經(jīng)鹽酸清洗、抽濾，除去殘余反應(yīng)物Zn及反應(yīng)副產(chǎn)物ZnO，再用去離子水清洗產(chǎn)物，最后將產(chǎn)物在60℃溫度下烘干3小時后，得到成品。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述步驟②中，無水乙醇體積與金屬鋅重 量比為1:1.1—1.2ml/g。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的的方法，其特征在于所述步驟②中，無水乙酵和金屬鋅這兩 種物質(zhì)的混合物在不銹鋼反應(yīng)釜中，加熱至50(TC-550'C使兩種反應(yīng)物之間發(fā)生反應(yīng)，加熱爐 保溫8 — 10小時后停止加熱，使反應(yīng)釜在爐中自然冷卻到室溫。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種中空碳球的制備方法，以無水乙醇作碳源、以金屬鋅作還原劑及金屬溶劑，在不銹鋼反應(yīng)釜中，將兩種物質(zhì)的混合物加熱發(fā)生反應(yīng)。加熱爐保溫一段時間后停止加熱，使反應(yīng)釜在爐中自然冷卻到室溫。反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)清洗、抽濾、烘干等工藝，得到成品。本發(fā)明方法具有反應(yīng)時間短、粉體純度高、能耗低、產(chǎn)物含中空碳球的量超過90％，產(chǎn)品化學(xué)穩(wěn)定性好，易實(shí)現(xiàn)大規(guī)模制備。
文檔編號C01B31/00GK101224883SQ200810014148
公開日2008年7月23日 申請日期2008年2月3日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月3日
發(fā)明者亓永新, 龐林林, 朱慧靈, 李少杰, 畢見強(qiáng), 王偉禮, 白玉俊, 韓福東 申請人:山東大學(xué)