一种制备碳纳米空心球的方法技术

本发明专利技术涉及碳纳米空心球领域，特别是一种简单制备碳纳米空心球的方法。首先，以直径均匀的纳米硅球粉为模板，通过化学气相沉积将碳均匀沉积在模板外表面，得到纳米硅球粉／碳的复合物。然后，把复合物放入氢氧化钠溶液中处理，再经过滤、冲洗和干燥，最后获得碳纳米空心球，碳纳米空心球的外径在３０～２００ｎｍ范围内可控，壁厚在１～５０ｎｍ范围内精确可控。本发明专利技术利用硬模板法制备碳纳米空心球，可以精确控制碳纳米空心球的内径、壁厚、比表面积；最重要的是采用无毒且廉价的ＮａＯＨ溶液去除模板，解决了目前利用ＨＦ溶液去除模板所带来的环境危害等问题。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及碳纳米空心球领域，特别是一种简单制备碳纳米空心球的方法，具体 为以直径均勻的纳米硅球粉为模板，在较低温度下将碳均勻沉积在纳米硅球粉表面，利用 氢氧化钠溶液将纳米硅球粉去除，最后获得结构可控的碳纳米空心球的方法。
技术介绍
碳纳米空心球具有良好的生物相容性、化学稳定性好、耐热冲击、强度高、比表面 积大等特点，被认为是材料界的新星，可望用于锂离子电池、燃料电池、催化剂载体、药物传 输、活性物质储存、阻尼材料等。为此，可控制备碳纳米空心球的研究受到了越来越多的关 注。碳纳米空心球的制备方法主要有化学气相沉积法、模板法、溶剂热法，其中模板法是最 有可能实现碳纳米空心球可控制备的方法之一。到目前为止，国内外对模板法可控制备碳纳米空心球的研究报道十分有限。该方法目前存在的主要问题是在模板 表面沉积碳层的温度较高(彡9000C )，所用模板直径较大(> 200nm)，且没有关于碳纳米 空心球结构控制(内径、壁厚、比表面积等)的报道；另外，模板的去除均采用剧毒试剂HF 酸溶液，这些缺点限制了模板法制备碳纳米空心球的研究。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种在低温下、无公害、且结构可控制备碳纳米空心球的 方法，解决了目前模板法制备碳纳米空心球所遇到的耗能、耗时、环境污染等问题，并首次 提出对碳纳米空心球的结构进行控制。本专利技术的技术方案是，碳纳米空心球的内径在30 200nm范围内精确可 控，壁厚在1 50nm范围内精确可控，比表面积在100 1000m2/g范围内可控。优选范围为碳纳米空心球的内径在30 IOOnm范围内精确可控，壁厚在5 20nm范围内精确可控，比表面积在200 600m2/g范围内可控。所述制备碳纳米空心球的方法，具体步骤如下(1)以直径均勻的球型纳米硅粉为模板，以有机小分子气态烃类为碳源，以惰性气 体或氮气为载气，采用化学气相沉积法在模板上均勻沉积厚度在1 50nm的炭层，得到纳 米硅球/碳的复合物。(2)把复合物放入氢氧化钠水溶液中，在60 100°C磁力搅拌处理，或者在100 150°C的较高温度下水热处理，处理时间为30min 5h，抽滤，用去离子水冲洗，干燥后，获 得结构可控的碳纳米空心球。所述的纳米硅球粉是由等离子弧气相合成方法制备，其外径在30 200纳米间可 控，优选范围为30 lOOnm，碳纳米空心球的内径由所选硅纳米球的外径决定，碳纳米空心球的壁厚和比表面积可由化学气相沉积条件精确调控。所述有机小分子碳源为甲烷、乙炔、乙烯或丙烯等气态烃类，所述惰性气体为氩气。所述化学气相沉积法的气相沉积温度为600 900°C，升温速率为5 30°C /min, 气相沉积时间0. 25 5小时，碳源气体体积浓度为1 20%，优选范围为5 10%。所述氢氧化钠水溶液的浓度为0. 5 lOmol/L (M)。本专利技术的优点是1、本专利技术采用硬模板方法可制备结构精确可控的碳纳米空心球，碳纳米空心球的 内径在30 200nm范围内精确可控，壁厚在1 50nm范围内精确可控，比表面积在100 IOOOmVg的范围内精确可控，其制备方法简单。2、本专利技术方法低能耗，在较低的化学气相沉积温度下(600 900°C )，就可将碳均 勻沉积在硅纳米球表面。3、本专利技术方法时间短、在较短的化学气相沉积时间(0. 25 5h)及较短的氢氧化 钠水溶液处理时间(0.25 5h)内，就可得到结构可控的碳纳米空心球。4、本专利技术方法环境友好，去除硅纳米球模板的试剂采用价格低廉且无公害的氢氧 化钠水溶液，取代剧毒试剂HF酸溶液，使得模板法大量制备结构可控的碳纳米空心球成为 可能。附图说明图1.碳纳米空心球的液氮吸脱附等温线及孔径分布曲线。图2.碳纳米空心球的透射电镜照片。具体实施例方式下面通过实施例详述本专利技术。实施例1.将0.5g直径30nm的硅球粉放在竖式反应炉内，以氩气为载气(流速为300ml/ min)，以10°C /分钟的升温速率升到700°C，通入乙炔气体，在此温度下进行化学气相沉积， 沉积时间为30分钟，乙炔体积浓度为10%，得到纳米硅球/碳的复合物，炭层在模板上均 勻沉积。化学气相沉积结束后，关闭乙炔气体，在氩气保护下降到室温。将上述制备的纳米 硅球粉/碳的复合物放于水热罐内，加入2M氢氧化钠水溶液200ml，在100°C下处理lh，冷 却，过滤，去离子水冲洗、烘干，最后得到内径30nm、壁厚5nm，比表面积为635m2/g的碳纳米 空心球。液氮吸脱附等温线及孔径分布曲线如图1所示。实施例2.将0. 5g直径200nm的硅球粉放在竖式反应炉内，以氩气为载气(流速为300ml/ min)，以10°C /min的升温速率升到900°C，通入丙烯气体，在此温度下进行化学气相沉积， 沉积时间为60min，丙烯体积浓度为1 %，得到纳米硅球/碳的复合物，炭层在模板上均勻沉 积。化学气相沉积结束后，关闭丙烯气体，在氩气保护下降到室温。将上述制备的纳米硅球 粉/碳的复合物放于水热罐内，加入2M氢氧化钠水溶液200ml，在150°C下处理3h，冷却，过 滤，去离子水冲洗、烘干，最后得到内径200nm、壁厚7nm，比表面积为150m2/g的碳纳米空心球。实施例3.将0.5g直径50nm的硅球粉放在竖式反应炉内，以氩气为载气(流速为300ml/min)，以10°C /min的升温速率升到700°C，通入乙烯气体，在此温度下进行化学气相沉积， 沉积时间为60min，乙烯体积浓度为20%，得到纳米硅球/碳的复合物，炭层在模板上均勻 沉积。化学气相沉积结束后，关闭乙烯气体，在氩气保护下降到室温。将上述制备的纳米硅 球粉/碳的复合物放于塑料烧杯内，加入2M氢氧化钠水溶液200ml，在60°C下磁力搅拌处 理5h，冷却，过滤，去离子水冲洗、烘干，最后得到内径50nm、壁厚lOnm，比表面积为232m2/g 的碳纳米空心球。实施例4.将0.5g直径50nm的硅球粉放在竖式反应炉内，以氩气为载气(流速为300ml/ min)，以20°C /min的升温速率升到600°C，通入乙烯气体，在此温度下进行化学气相沉积， 沉积时间为3h，乙烯体积浓度为15%，得到纳米硅球/碳的复合物，炭层在模板上均勻沉 积。化学气相沉积结束后，关闭乙烯气体，在氩气保护下降到室温。将上述制备的纳米硅球 粉/碳的复合物放于水热罐内，加入2M氢氧化钠水溶液200ml，在120°C下处理2h，冷却，过 滤，去离子水冲洗、烘干，最后得到内径50nm、壁厚30nm，比表面积为150m2/g的碳纳米空心 球。实施例5.将0.5g直径30nm的硅球粉放在束式反应炉内，以氩气为载气(流速为300ml/ min)，以20°C /min的升温速率升到700°C，通入乙炔气体，在此温度下进行化学气相沉积， 沉积时间为15min，乙炔体积浓度为10%，得到纳米硅球/碳的复合物，炭层在模板上均勻 沉积。化学气相沉积结束后，关闭乙炔气体，在氩气保护下降到室温。将上述制备的纳米硅 球粉/碳的复合物放于塑料杯内，加入2M氢氧化钠水溶液200ml，在80°C下磁力搅拌处理 lh，冷却，过滤，去离子水冲洗、烘干，最后得到内径50nm、壁厚2. 5nm,比表面积为1000m2/g本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制备碳纳米空心球的方法，具体步骤和特征如下：（１）以直径均匀的球型纳米硅粉为模板，以有机小分子气态烃类为碳源，以惰性气体或氮气为载气，通过化学气相沉积法在模板上均匀沉积炭层，得到纳米硅球／碳的复合物；（２）把复合物放入氢氧化钠水溶液中，在６０～１００℃磁力搅拌处理，或者在１００～１５０℃下水热处理，处理时间为３０ｍｉｎ～５ｈ，抽滤，用去离子水冲洗，干燥后，获得结构可控的碳纳米空心球。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：侯鹏翔，刘畅，成会明，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：89