[发明专利]一种中空碳球的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种中空碳球的制备方法，属于无机非金属材料制备方法技术领域。

背景技术

碳材料具有高的化学稳定性、较低的密度以及良好的高温耐热性能。中空碳球可用作极好的催化剂支撑物、二级锂离子电池的阳极、润滑剂和储氢材料等，主要应用于医学、制药学、材料学及涂料工业等领域。

目前，制备中空碳球的方法包括：介质还原法、自组装模板法、激光蒸馏法、电弧放电法、有机物高温热分解和熔剂热法等。但是这些方法一般需要使用催化剂、较长的反应时间、复杂的操作和昂贵的设备，同时合成的中空碳球纯度较低(金属催化剂污染)、成本较高，直接影响了中空碳球的工业生产和应用。

中国专利CN 1454839A公开一种利用脉冲电流作用于含有石墨阳极和石墨阴极的电弧反应室，电弧反应室需通入一种惰性气体，利用产生的电弧放电反应来制备中空纳米碳球的方法。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明提供一种以熔融的锌作溶剂的中空碳球的制备方法。由于锌具有较低的熔点(419.580℃)，良好的溶解性(锌及其大多数化合物在酸碱溶液、水、乙醇或氨水中具有极好的溶解性)；同时，由于锌比碱金属和碱土金属的反应活性低，有锌参与的反应容易控制。因此锌在反应过程中不但可以作为反应物，也是一种很好的金属溶剂，在某些条件下甚至可以起到一定的催化作用。特别是锌具有较高的密度(ρ＝7.14g/ml)，在熔化状态下会产生较大的浮力，可能会使低密度的物质在浮力作用下垂直于液面而生长，形成特殊的结构和形态。本发明利用金属锌的这些特殊物理化学性质，以熔融的锌作溶剂制备中空碳球。

本发明是一种以无水乙醇作碳源、以金属锌作还原剂及金属溶剂，在500℃-550℃温度下反应后，再经清洗、抽滤、烘干等工艺，制备中空碳球的方法。

通过CH₃CH₂OH与Zn之间的反应制备中空碳球的反应式为：

CH₃CH₂OH+Zn＝2C+3H₂+ZnO

制备工艺如下：

①以无水乙醇作碳源、以金属锌作还原剂及金属溶剂；

②在不锈钢反应釜中，将两种物质的混合物加热发生反应，加热炉保温一段时间后停止加热，使反应釜在炉中自然冷却到室温；

③反应产物先经盐酸清洗、抽滤，除去残余反应物Zn及反应副产物ZnO，再用去离子水清洗产物，最后将产物在60℃温度下烘干3小时后，得到成品。

步骤②中，无水乙醇体积与金属锌重量比为1∶1.1-1.2ml/g。

步骤②中，无水乙醇和金属锌这两种物质的混合物在不锈钢反应釜中，加热至500℃-550℃使两种反应物之间发生反应，加热炉保温8-10小时后停止加热，使反应釜在炉中自然冷却到室温。本发明有益效果是：使用的设备简单而且安全性好，温度较低(500℃-550℃)，产物中含中空碳球的量超过90％，反应产物处理简单，制备工艺稳定，生产效率高。产品化学稳定性好、密度低、易实现大规模制备；中空碳球的尺寸在二十纳米到四百纳米之间，空心球壁厚均匀，大约为二十纳米。

附图说明

图1为样品的X-射线衍射图；

图2为样品的形貌图；

图2a为场发射扫描电镜形貌图；

图2b为样品的透射电镜形貌图；

图2c为样品的高分辨透射电镜形貌图。

具体实施方式

图1是通过9.7ml乙醇和11g锌在550℃保温10小时后制得的空心碳球的X-射线衍射图。2θ＝25.6°处的宽化弱衍射峰为碳的(002)晶面，说明空心碳球的结晶度较低。

图2是通过9.7ml乙醇和11g锌在550℃保温10小时后制得样品的形貌图。从图2a的场发射扫描电镜图像可以看到大量不同形态的气球状空心碳球，这些空心球的尺寸从几十纳米到几百纳米不等。空心球上有小的开口，图中箭头所指即为部分空心碳球上的开口，图2a左下角的插图的是一个空心球的放大像，其开口平整，壁厚均匀。图2b是样品的透射电镜图像，可以明显地观察到空心碳球上的开口(如箭头所示)。空心球在电子束下均是透明的，说明球的壁很薄。图2b右上角的插图中清楚地表明空心球上的开口及均匀的壁厚。图2c是空心球的高分辨电镜像，进一步说明空心球的壁厚均匀，大约为20纳米。

实施例1：