石墨化纳米碳的制备方法技术

石墨化纳米碳的制备方法，它涉及一种纳米碳的制备方法。本发明专利技术解决了现有技术制备石墨化纳米碳的产率低、纯度低和形貌不可控的问题。本发明专利技术制备方法如下：碳源与金属离子配位；配合物固化；热处理；活化处理，即可得石墨化纳米碳。本发明专利技术方法制备的石墨化纳米碳的产率高、纯度高且形貌可控。本发明专利技术方法简单、易操作，且适合工业化生产。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种纳米碳的制备方法。
技术介绍
碳材料兼有金属、陶瓷和高分子材料三者某些特殊性能于一身，以其独特的性质和丰富的形态在人类文明和科技进步中发挥着重要的作用。碳材料科学开始于二十世纪五十年代，迄今已有五十多年的发展历史。1985年富勒烯和1991年碳纳米管的发现，为碳材料科学的研究开拓了新的视野，并引发了对碳纳米材料的研究热潮，众多的研究集中在这两种碳材料的制备、功能化以及性质研究方面。几乎与此同时，一些结构新颖的纳米碳，由于其特殊的形貌和奇异的性质而引起了部分研究者的高度关注，如：电弧放电所产生的碳灰中多面体石墨微粒转变成准球状的同心壳层—洋葱状富勒烯。最近，一些其它新颖结构的纳米碳也被合成和报道，如二维结构的碳纳米层(CNS)。随后的研究表明采用热处理或者化学还原氧化的石墨、电弧放电等手段也可以获得石墨片层结构、中空笼状碳纳米粒子、圆锥形的碳纳米结构、喇叭状碳纳米结构、碳纳米吸管、碳微米树阵列、多面体石墨晶体等结构，上述纳米-微米结构的碳粒子的成功制备以及其性能研究大大丰富了碳材料科学的研究内涵。但是，以上提到的这些新颖结构的碳材料大多是碳纳米管和富勒烯合成过程中的副产物，作为反应的副产物无法通过改变反应物的类型及反应参数来控制其形貌，且产率低、纯度低。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决现有技术制备石墨化纳米碳的产率低、纯度低和形貌不可控的问题，而提供一种石墨化纳米碳的制备方法。石墨化纳米碳按以下步骤制备：一、碳源与金属离子配位：将碳源与金属催化剂溶液混合，搅拌12～24h，然后超声处理30～120min，向混合物中加入表面活性剂溶液，继续搅拌1～3h；二、配合物固化：将步骤一制备的混合溶液在20～100℃条件下真空干燥2～24h，然后冷却至室温；三、热处理：以5～20℃/min速率升温至400～1100℃，再在气流量为60～250ml/min、温度为-->400～1100℃的条件下，对步骤二的产物热处理0.5～6h；四、活化处理：对步骤三的产物进行物理活化或化学活化处理，即得石墨化纳米碳；其中步骤一中金属催化剂溶液中的溶质与碳源的重量比为0.025～0.05:2.5，碳源与表面活性剂溶液中的溶质的重量比为10～50:1，金属催化剂溶液的摩尔浓度为0.025～0.3mol/L，表面活性剂溶液的摩尔浓度为0.0015～0045mol/L。本专利技术制得的石墨化纳米碳的产率为90.7％～98.4％，纯度为93.8％～98.1％；本专利技术方法通过改变聚合物和金属催化剂的含量和类型及反应参数，即可有效控制获得石墨化碳纳米囊、石墨化碳纳米片、石墨化碳纳米卷、石墨化碳纳米墙、石墨化碳纳米线、石墨化碳纳米棒、石墨化碳纳米带及石墨化碳纳米树等产品。本专利技术方法简单、易操作，适合工业化生产。附图说明图1为具体实施方式一制得产物的拉曼图谱，图2为具体实施方式五十九制得产物的低倍率的透射电子显微镜图片，图3为具体实施方式五十九制得产物的高分辨的透射电子显微镜图片。具体实施方式本专利技术技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。具体实施方式一：本实施方式石墨化纳米碳按以下步骤制备：一、碳源与金属离子配位：将碳源与金属催化剂溶液混合，搅拌12～24h，然后超声处理30～120min，向混合物中加入表面活性剂溶液，继续搅拌1～3h；二、配合物固化：将步骤一制备的混合溶液在20～100℃条件下真空干燥2～24h，然后冷却至室温；三、热处理：以5～20℃/min速率升温至400～1100℃，再在气流量为60～250ml/min、温度为600～1100℃的条件下，对步骤二的产物热处理0.5～6h；四、活化处理：对步骤三的产物进行物理活化或化学活化处理，即得石墨化纳米碳；其中步骤一中金属催化剂溶液中的溶质与碳源的重量比为0.025～0.05:2.5，碳源与表面活性剂溶液中的溶质的重量比为10～50:1，金属催化剂溶液的摩尔浓度为0.025～0.3mol/L，表面活性剂溶液的摩尔浓度为0.0015～0045mol/L。本实施方式制得的石墨化纳米碳的拉曼谱图如图1所示，从图1可以可以-->看出，经600℃～1100℃的处理的样品，出现明显的石墨的拉曼振动峰。本实施例所得的石墨化纳米碳拉曼峰面积及面积比值如表1所示表1 碳化温度SD(D峰面积)SG(G峰面积)SG/SD(G峰面积与600℃///700℃1479611781661.204800℃5266346903261.311900℃5683777642821.3451000℃5089587031401.3821100℃6155599719081.579从表1的数据可以看出，随着处理温度的升高SG/SD逐渐增大，表明样品的石墨化程度随着温度的升高逐渐增强。本实施方式制备的石墨化纳米碳的产率为93.5％，纯度为97.4％；本实施方式制得的石墨化碳为石墨化碳纳米囊、石墨化碳纳米片、石墨化碳纳米卷、石墨化碳纳米墙、石墨化碳纳米线、石墨化碳纳米棒、石墨化碳纳米带及石墨化碳纳米树。具体实施方式二：本实施方式石墨化纳米碳按以下步骤制备：一、碳源与金属离子配位：将碳源与金属催化剂溶液混合，搅拌12～24h，然后超声处理30～120min，向混合物中加入表面活性剂溶液，继续搅拌1～3h；二、配合物固化：将步骤一制备的混合溶液在20～80℃条件下真空干燥2～24h，然后冷却至室温；三、热处理：以5～20℃/min速率升温至600～1100℃，再在气流量为60～250ml/min、温度为400～1100℃的条件下，对步骤二的产物热处理0.5～6h；四、活化处理：对步骤三的产物进行物理活化或化学活化处理；五、向步骤四中制备的产物中加入50ml浓度为12mol/L的浓盐酸，90～100℃反应5～12h，即得石墨化纳米碳；其中步骤一中金属催化剂溶液中的溶质与碳源的重量比为0.025～0.05:2.5，碳源与表面活性剂溶液中的溶质的重量比为10～50:1，金属催化剂溶液的摩尔浓度为0.025～0.3mol/L，表面活性剂溶液的摩尔浓度为0.0015～0045mol/L。本实施方式制备的石墨化纳米碳的产率为95.3％，纯度为94.9％；本实施-->方式制得的石墨化碳为石墨化碳纳米囊、石墨化碳纳米片、石墨化碳纳米卷、石墨化碳纳米墙、石墨化碳纳米线、石墨化碳纳米棒、石墨化碳纳米带及石墨化碳纳米树。具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是步骤一中的碳源为具有极性基团的聚合物、农林作物提取物或农林废弃物；其中具有极性基团的聚合物为聚甲基丙烯酸、聚苯乙烯、聚糠醇、聚丙烯酰胺、聚亚胺、聚氨酯、聚氨基葡萄糖、聚乙二醇、阴阳离子交换树脂、聚乙烯醇、聚苯胺中的一种或几种的混合，农林作物提取物为葡萄糖、蔗糖、果糖或淀粉，农林废弃物为甜菜渣、甘蔗渣、玉米秆、芦苇、蒲草或蒿草。其它与具体实施方式一或二相同。本实施方式中具有极性基团的聚合物为两种或两种以上时，各组分按任意比例混合。具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式三不同的是骤一中的金属催化剂溶液为硫酸铁溶液、硫酸亚铁溶液、氯化铁溶液、氯化亚铁溶液、硝酸铁溶液、硝酸亚铁溶液、铁氰化钾溶液、亚铁氰本文档来自技高网...

【技术保护点】
石墨化纳米碳的制备方法，其特征在于石墨化纳米碳的制备方法按以下步骤制备：一、碳源与金属离子配位：将碳源与金属催化剂溶液混合，搅拌１２～２４ｈ，然后超声处理３０～１２０ｍｉｎ，向混合物中加入表面活性剂溶液，继续搅拌１～３ｈ；二、配合物固化：将步骤一制备的混合溶液在２０～１００℃条件下真空干燥２～２４ｈ，然后冷却至室温；三、热处理：以５～２０℃／ｍｉｎ速率升温至４００～１１００℃，再在气流量为６０～２５０ｍｌ／ｍｉｎ、温度为４００～１１００℃的条件下，对步骤二的产物热处理０．５～６ｈ；四、活化处理：对步骤三的产物进行物理活化或化学活化处理，即得石墨化纳米碳；其中步骤一中金属催化剂溶液中的溶质与碳源的重量比为０．０２５～０．０５∶２．５，碳源与表面活性剂溶液中的溶质的重量比为１０～５０∶１，金属催化剂溶液的摩尔浓度为０．０２５～０．３ｍｏｌ／Ｌ，表面活性剂溶液的摩尔浓度为０．００１５～００４５ｍｏｌ／Ｌ。

【技术特征摘要】
1、石墨化纳米碳的制备方法，其特征在于石墨化纳米碳的制备方法按以下步骤制备：一、碳源与金属离子配位：将碳源与金属催化剂溶液混合，搅拌12～24h，然后超声处理30～120min，向混合物中加入表面活性剂溶液，继续搅拌1～3h；二、配合物固化：将步骤一制备的混合溶液在20～100℃条件下真空干燥2～24h，然后冷却至室温；三、热处理：以5～20℃/min速率升温至400～1100℃，再在气流量为60～250ml/min、温度为400～1100℃的条件下，对步骤二的产物热处理0.5～6h；四、活化处理：对步骤三的产物进行物理活化或化学活化处理，即得石墨化纳米碳；其中步骤一中金属催化剂溶液中的溶质与碳源的重量比为0.025～0.05:2.5，碳源与表面活性剂溶液中的溶质的重量比为10～50:1，金属催化剂溶液的摩尔浓度为0.025～0.3mol/L，表面活性剂溶液的摩尔浓度为0.0015～0045mol/L。2、根据权利要求1所述的石墨化纳米碳的制备方法，其特征在于向步骤四中制备的产物中加入50ml浓度为12mol/L的浓盐酸，90～100℃反应5～12h。3、根据权利要求1或2所述的石墨化纳米碳的制备方法，其特征在于步骤一中的碳源为具有极性基团的聚合物、农林作物提取物或农林废弃物；其中具有极性基团的聚合物为聚甲基丙烯酸、聚苯乙烯、聚糠醇、聚丙烯酰胺、聚亚胺、聚氨酯、聚氨基葡萄糖、聚乙二醇、阴阳离子交换树脂、聚乙烯醇、聚苯胺中的一种或几种的混合，农林作物提取物为葡萄糖、蔗糖、果糖或淀粉，农林废弃物为甜菜渣、甘蔗渣、玉米秆、芦苇、蒲草或蒿草。4、根据权利要求3所述的石墨化纳米碳的制备方法，其特征在于步骤一中的金属催化剂溶液为硫酸铁溶液、硫酸亚铁溶液、氯化铁溶液、氯化亚铁溶液、硝酸铁溶液、硝酸亚铁溶液、铁氰...

【专利技术属性】
技术研发人员：付宏刚，王宝丽，王蕾，田春贵，王瑞红，田国辉，
申请(专利权)人：黑龙江大学，
类型：发明
国别省市：93[中国|哈尔滨]