長徑比可調(diào)、具有介孔中空結(jié)構(gòu)的納米碳材料的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種長徑比可調(diào)節(jié)、具有介孔中空結(jié)構(gòu)納米碳材料的大規(guī)模制備方法，具體地，是利用真空感應(yīng)爐大規(guī)模制備具有介孔中空結(jié)構(gòu)納米碳材料，是屬于低維納米材料的制備技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]能源短缺和環(huán)境污染與經(jīng)濟發(fā)展間的矛盾日益尖銳，使其成為制約我國經(jīng)濟社會發(fā)展的瓶頸。因此，開發(fā)新型儲能材料和吸附材料備受國家和科研工作者的關(guān)注。中空碳納米材料集碳材料、納米材料和獨特的空間結(jié)構(gòu)等優(yōu)勢于一身，呈現(xiàn)出特殊的光學、電學、催化性質(zhì)、相轉(zhuǎn)變和粒子輸運等特性，導(dǎo)致其廣泛地應(yīng)用于超級電容器、水處理、鋰離子電池、光化學電池和催化劑等方面。具有介孔中空結(jié)構(gòu)納米碳材料在氣體吸附、催化劑載體等應(yīng)用領(lǐng)域更勝一籌，也更容易進行表面修飾以進一步功能化。因此，對具有介孔中空結(jié)構(gòu)納米碳材料的大量、可控、高純制備技術(shù)的研發(fā)顯得非常重要。
[0003]目前，已報道的制備具有介孔中空結(jié)構(gòu)納米碳材料的方法主要有電弧放電、化學氣相沉積、熱分解有機物溶劑法等等；但是這些方法都存在產(chǎn)量低，能耗高、設(shè)備復(fù)雜、必須外加催化劑、必須后處理、長徑比不可調(diào)等復(fù)雜問題。未見使用簡單設(shè)備、高效、大規(guī)模、一步制備長徑比可調(diào)節(jié)、具有介孔中空結(jié)構(gòu)納米碳材料的報道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對目前具有介孔中空結(jié)構(gòu)納米碳材料材料制備過程中存在的問題，本發(fā)明的目的在于，提供一種長徑比可調(diào)孔，直接大規(guī)模制備具有介孔中空結(jié)構(gòu)納米碳材料材料的制備技術(shù)；該方法包括以下步驟:
[0005](I)將聚四氟乙烯粉末與催化劑按一定質(zhì)量比例混合；其中催化劑與聚四氟乙烯的質(zhì)量比為1:(8.0-9.5);
[0006](2)往步驟(I)的混合粉末中加入一定體積的無水乙醇，無水乙醇與(I)粉末的體積比為(1-3):1，得到料漿I;
[0007](3)將步驟⑵的料漿I倒入球磨罐中，球料質(zhì)量比(2-6):1，球磨2-10小時，得到料漿2 ;
[0008](4)將步驟(3)球磨后的料漿2過濾，并在60?90°C之間干燥5?12小時，得到干燥粉體；
[0009](5)將步驟(4)中干燥后的粉體置入石墨坩禍中，并放進真空感應(yīng)爐中，真空狀態(tài)下，使用5-80千瓦功率加熱保溫5-30分鐘后，制得具有介孔中空結(jié)構(gòu)的納米碳材料。
[0010]由圖1中的拉曼光譜分析I (a)，和氮氣吸附脫附結(jié)果I (b)，結(jié)果可以看出，制備出的產(chǎn)品為具有介孔中空結(jié)構(gòu)的納米碳材料。
[0011]在上述步驟(3)中，球磨機轉(zhuǎn)速為300r/min ;上述步驟(5)中，真空度為0.01兆帕。
[0012]本發(fā)明的優(yōu)點和積極效果是:制備方法和制備步驟非常簡單，制備過程中的工藝參數(shù)容易控制，一步合成，可實現(xiàn)大量制備；
【附圖說明】
[0013]圖1為制備的具有介孔中空結(jié)構(gòu)納米碳材料典型的拉曼光譜分析I(a)，和氮氣吸附脫附圖1(b)。
[0014]圖2為8千瓦感應(yīng)加熱時，具有介孔中空結(jié)構(gòu)納米碳材料的表面形貌示意圖。
[0015]圖3為30千瓦感應(yīng)加熱時，具有介孔中空結(jié)構(gòu)納米碳材料的表面形貌示意圖。
[0016]圖4為60千瓦感應(yīng)加熱時，具有介孔中空結(jié)構(gòu)納米碳材料(碳納米空心球)的表面形貌示意圖。
[0017]圖5為具有介孔中空結(jié)構(gòu)納米碳材料典型的高分辨透射電鏡示意圖。5(a)為管狀介孔中空結(jié)構(gòu)納米碳材料；5(b)為球形介孔中空結(jié)構(gòu)納米碳材料
【具體實施方式】
[0018]下面結(jié)合實施例進一步說明本發(fā)明
[0019]實施例1
[0020]本實施例中，所采用的催化劑為分析純，聚四氟乙烯為微粉。
[0021]1、配制原料
[0022]準確稱量一定量的催化劑和聚四氟乙烯微粉，使催化劑和聚四氟乙烯微粉質(zhì)量比為 1:9.2o
[0023]2、球磨預(yù)處理
[0024]將上述I中原料倒入球磨罐中，加入一定量的氧化錯球，使球料質(zhì)量比為5:1，再加入一定量的無水乙醇，使無水乙醇與球料的體積比為2:1，設(shè)定球磨機轉(zhuǎn)速300轉(zhuǎn)/分鐘，球磨8小時后用濾網(wǎng)過濾出氧化錯球；
[0025]3、烘干處理
[0026]將上述2中的原料放入烘箱中，70度干燥10小時
[0027]4、中頻感應(yīng)制備具有介孔中空結(jié)構(gòu)納米碳材料
[0028]將上述3中的原料，裝入石墨坩禍中，并放置在真空感應(yīng)爐中，抽真空至0.0lMpa,8千瓦功率加熱10分鐘，保溫20分鐘，然后自然降溫至室溫；取出黑色粉末，即制得具有介孔中空結(jié)構(gòu)納米碳材料(管狀)，其典型的形貌如圖2，圖5。直徑30-120納米，長度10-20微米。
[0029]實施例2
[0030]準確稱量一定量的催化劑和聚四氟乙烯微粉，使催化劑和聚四氟乙烯微粉質(zhì)量比為1:6.0，其余步驟同實施例1，同樣也得到尺寸和形貌類似的具有介孔中空結(jié)構(gòu)納米碳材料(管狀)。
[0031]實施例3
[0032]將實施例1，經(jīng)過步驟3處理后的原料，裝入石墨坩禍中，并放置在真空感應(yīng)爐中，抽真空至0.0lMpa, 30千瓦功率加熱6分鐘，保溫20分鐘，然后自然降溫至室溫；取出黑色粉末，即制得具有介孔中空結(jié)構(gòu)納米碳材料(管狀)，其典型的形貌如圖3，直徑30-120納米，長度1-2微米。
[0033]實施例4
[0034]將實施例1，經(jīng)過步驟3處理后的原料，裝入石墨坩禍中，并放置在真空感應(yīng)爐中，抽真空至0.0lMpa,60千瓦功率加熱4分鐘，保溫20分鐘，然后自然降溫至室溫；取出黑色粉末，即制得具有介孔中空結(jié)構(gòu)納米碳材料(空心球形)，其典型的形貌如圖4，直徑60-120納米。
[0035]從以上4個實施例可以看出，只要在制備過程中使得各種參數(shù)，如配制原料配比、功率和時間保持在一定范圍內(nèi)，就可以可控大量制備具有介孔中空結(jié)構(gòu)納米碳材料。在具體實施過程中，本領(lǐng)域的技術(shù)人員都能按照原料的配比范圍以及中頻感應(yīng)加熱時的工藝參數(shù)范圍進行具體的實施，不以本發(fā)明所給出的上述四個實施例為限。
[0036]以上通過四個實施例對本發(fā)明進行了詳細的描述，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當理解，在不超過本發(fā)明精神和實質(zhì)范圍內(nèi)，本本發(fā)明做出一定的修改和變形，比如采用不同的功率和升溫及保溫時間等不同工藝參數(shù)，仍能實現(xiàn)本發(fā)明所述之結(jié)果，而不脫離本發(fā)明的保護范圍。
【主權(quán)項】
1.一種長徑比可調(diào)、具有介孔中空結(jié)構(gòu)的納米碳材料的制備方法，其特征在于具體制備步驟是: (1)將聚四氟乙烯粉末與催化劑按一定質(zhì)量比例混合；其中催化劑與聚四氟乙烯的質(zhì)量比為 1:(8.0-9.5)； (2)往步驟(I)中加入一定體積的無水乙醇，無水乙醇與混合粉末的體積比為(1-3):I，得到料漿I ; (3)將步驟⑵的料漿I倒入球磨罐中，球料質(zhì)量比(2-6):1，球磨2-10小時，得到料漿2 ; (4)將步驟(3)球磨后的料漿2過濾，并在60?90°C之間干燥5?12小時，得到干燥粉體； (5)將步驟(4)中干燥后的粉體置入石墨坩禍中，并放進真空感應(yīng)爐中，真空狀態(tài)下，使用5-80千瓦功率加熱保溫5-30分鐘后，制得具有介孔中空結(jié)構(gòu)的納米碳材料。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種長徑比可調(diào)、具有介孔中空結(jié)構(gòu)的納米碳材料的制備方法，其特征是:在步驟(3)中，球磨機轉(zhuǎn)速為300r/min ;步驟(5)中，真空度為0.01兆帕。
【專利摘要】一種長徑比可調(diào)節(jié)、具有介孔中空結(jié)構(gòu)納米碳材料的制備方法，屬于低維納米材料的制備技術(shù)領(lǐng)域。具體制備步驟是：將聚四氟乙烯粉末與催化劑按1：(8.0-9.5)比例混合；加入一定體積的無水乙醇，得到料漿1；將料漿1倒入球磨罐中，球磨2-10小時，得到料漿2；將球磨后的料漿2過濾，并在60～90℃之間干燥5～12小時，得到干燥粉體；將干燥后的粉體置入石墨坩堝中，并放進真空感應(yīng)爐中，真空狀態(tài)下，使用5-80千瓦功率加熱保溫5-30分鐘后，制得具有介孔中空結(jié)構(gòu)的納米碳材料。本發(fā)明制備方法和制備步驟非常簡單，制備過程中的工藝參數(shù)容易控制，一步合成，可實現(xiàn)大量制備。
【IPC分類】C01B31/02, B82Y30/00
【公開號】CN105036112
【申請?zhí)枴緾N201510441348
【發(fā)明人】夏敏, 燕青芝, 葛昌純
【申請人】北京科技大學
【公開日】2015年11月11日
【申請日】2015年7月24日