一种合成高纯度碳纳米球及碳微球的方法

摘要

一种低温合成高纯度碳纳米球及碳微球的方法，以碳化钙与二水草酸为原料，碳化钙与二水草酸的摩尔比是2∶1－6∶1，在密闭耐压反应器中加热至65－250℃，反应30－120分钟，反应完成后冷却至室温，得到碳纳米球及碳微球，碳纳米球及碳微球直径在几十至几百纳米。本发明方法所得产品碳纳米球及碳微球的纯度高，碳纳米球及碳微球的含碳量高，且碳纳米球及碳微球的尺寸较均匀。

说明书

技术领域

本发明涉及碳纳米材料特别是高纯度碳纳米球及碳微球的制备方法。

背景技术

21世纪是纳米材料的世纪，碳纳米材料由于其原料来源丰富、种类多而倍受关注。自从上世纪八十年代C₆₀及碳纳米管发现以来，有关碳纳米材料的研究如火如荼，而碳纳米球及碳微球作为碳纳米材料的一种其研究进行的相对较少。碳纳米材料由于其具有独特的物理、化学和力学、电学性能，因此，其潜在的应用前景十分广阔和诱人。目前，由于碳纳米材料的合成条件苛刻，成本高，因此，其应用领域受到一定的限制，而寻找一种低成本合成高质量碳纳米材料的方法已成为这一领域广大科技人员的共同目标。现有制备碳纳米球及碳微球的方法主要有以下几种：

1.化学气相沉积法(CVD)Carbon 2004，42.761-766

2.电弧放电法CN1962431A，CN1884057A

3.直接降解碳氢化合物合成法Carbon 2005，43.1944-1953.Carbon2006，44.3285-3292.

4.化学反应合成法Carbon 2002，41.1645-1687.CN1590288，2003.

这些方法的缺点是对设备要求较高，而且纯度不高，含碳量低于95％。

发明内容

本发明的目的在于提供一种使用简单易得的化工原料，在温和的条件下低成本合成高纯度的碳纳米球及碳微球的方法。应用本发明的方法合成的纳米碳球及碳微球直径在几十至几百纳米，尺寸较均匀，产品中碳纳米球及碳微球的纯度高(＞95％)，碳纳米球及碳微球的含碳量高(＞98％)。

本发明所采用的技术方案是：使用碳化钙与二水草酸为原料，不使用催化剂，在密闭耐压不锈钢反应器中加热至65-250℃，反应时间是30-120分钟，反应原料碳化钙与二水草酸的摩尔比是2∶1-6∶1。反应完成后使反应器冷却至室温，所得产物即为本发明所述的碳纳米球及碳微球。本发明化学反应方程式可表示如下：

nCaC₂+C₂H₄O₄·2H₂O→碳纳米球及碳微球

本发明与现有合成碳纳米材料特别是碳纳米球及碳微球的方法相比，具有合成原料廉价易得、合成工艺设备简单、合成条件温和，因此，可大幅度的降低生产成本，有望成为大规模生产碳纳米材料的一种新方法。所得产品碳纳米球及碳微球的纯度高，碳纳米球及碳微球的含碳量高，且碳纳米球及碳微球的尺寸较均匀。

附图说明

附图1是本发明碳纳米球及碳微球的扫描电镜照片

附图2是本发明碳纳米球及碳微球的透射电镜照片

附图3是本发明碳纳米球及碳微球的能谱图，碳原子和氧的重量百分数为98.6％和1.04％

附图4是本发明碳纳米球及碳微球的X射线衍射图

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

具体实施方式

实施例1：称取25克CaC₂(0.39mol)置于120毫升不锈钢耐压反应釜中，粉碎至直径为1-2毫米大小的颗粒，同时加入25克(0.195mol)二水草酸，密封反应釜。用加热装置加热反应釜，同时用控温装置控制加热温度。当釜内温度升至65-80℃时，釜内温度开始急剧上升，在短时间内釜内温度可升至250℃左右。此时关闭加热装置电源，使反应釜冷却至室温。打开反应釜盖后，反应产物明显分为两层；上层为亮黑色絮状松软的产物，产品量约2克；下层为黄白色的固体粉末。上层产物经能谱鉴定含碳，经X射线粉末衍射鉴定含碳，经扫描电子显微镜及透射电子显微镜鉴定其产物碳为碳纳米球及碳微球，且几乎所有的产物都是碳纳米球及碳微球，碳纳米球及碳微球的直径为180纳米左右。

实施例2：称取30克CaC₂(0.468mol)置于120毫升不锈钢耐压反应釜中，粉碎至直径为1-2毫米大小的颗粒，同时加入20克(0.158mol)二水草酸，密封反应釜。用加热装置加热反应釜，同时用控温装置控制加热温度。当釜内温度升至65-80℃时，釜内温度开始急剧上升，在短时间内釜内温度可升至250℃左右。此时关闭加热装置电源，使反应釜冷却至室温。打开反应釜盖后，反应产物明显分为两层；上层为亮黑色絮状松软的产物，产品量约2克；下层为黄白色的固体粉末。上层产物经能谱鉴定含碳，经X射线粉末衍射鉴定含碳，经扫描电子显微镜及透射电子显微镜鉴定其产物碳为碳纳米球，且几乎所有的产物都是碳纳米球，碳纳米球的直径为100纳米左右。

实施例3：称取36克CaC₂(0.56mol)置于120毫升不锈钢耐压反应釜中，粉碎至直径为1-2毫米大小的颗粒，同时加入18克(0.143mol)二水草酸，密封反应釜。用加热装置加热反应釜，同时用控温装置控制加热温度。当釜内温度升至65-80℃时，釜内温度开始急剧上升，在短时间内釜内温度可升至250℃左右。此时关闭加热装置电源，使反应釜冷却至室温。打开反应釜盖后，反应产物明显分为两层；上层为亮黑色絮状松软的产物，产品量约1.25克；下层为黄白色的固体粉末。上层产物经能谱鉴定含碳，经X射线粉末衍射鉴定含碳，经扫描电子显微镜及透射电子显微镜鉴定其产物碳为碳纳米球，且几乎所有的产物都是碳纳米球，碳纳米球的直径为100纳米左右。

实施例4：称取36克CaC₂(0.56mol)置于120毫升不锈钢耐压反应釜中，粉碎至直径为1-2毫米大小的颗粒，同时加入14克(0.11mol)二水草酸，密封反应釜。用加热装置加热反应釜，同时用控温装置控制加热温度。当釜内温度升至65-80℃时，釜内温度开始急剧上升，在短时间内釜内温度可升至250℃左右。此时关闭加热装置电源，使反应釜冷却至室温。打开反应釜盖后，反应产物明显分为两层；上层为亮黑色絮状松软的产物，产品量约1.2克；下层为黄白色的固体粉末。上层产物经能谱鉴定含碳，经X射线粉末衍射鉴定含碳，经扫描电子显微镜及透射电子显微镜鉴定其产物碳为碳纳米球，且几乎所有的产物都是碳纳米球，碳纳米球的直径为100纳米左右。

实施例5：称取36克CaC₂(0.56mol)置于120毫升不锈钢耐压反应釜中，粉碎至直径为1-2毫米大小的颗粒，同时加入12克(0.093mol)二水草酸，密封反应釜。用加热装置加热反应釜，同时用控温装置控制加热温度。当釜内温度升至65-80℃时，釜内温度开始急剧上升，在短时间内釜内温度可升至250℃左右。此时关闭加热装置电源，使反应釜冷却至室温。打开反应釜盖后，反应产物明显分为两层；上层为亮黑色絮状松软的产物，产品量约1.25克；下层为黄白色的固体粉末。上层产物经能谱鉴定含碳，经X射线粉末衍射鉴定含碳，经扫描电子显微镜及透射电子显微镜鉴定其产物碳为碳纳米球，且几乎所有的产物都是碳纳米球，碳纳米球的直径为100纳米左右。