[发明专利]加碘热处理制备空心碳纳米笼的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种纳米材料技术领域的制备空心碳纳米笼的方法，具体是一种加碘热处理制备空心碳纳米笼的方法。

背景技术

近年来，碳纳米材料的实际应用价值以及其在应用中的具体表现越来越受到重视。碳纳米笼由于具有独特的结构特征而存在广阔的应用前景，其外壁具有良好的石墨化结构，有优异的热学、化学稳定性和电学性能，极具应用潜力。目前碳纳米笼的合成方法以化学气相沉积法为主，该法将碳源气体或液体在高温下分解出活性碳原子，在过渡金属的催化作用下，控制反应条件制备出碳纳米笼。这种方法不可避免地在碳纳米笼内部残存催化剂颗粒。催化剂颗粒的存在直接影响碳纳米笼的结构和性质，使其优异的性能不能在应用中得到充分体现，因此必须将碳纳米笼内部的催化剂颗粒去除。目前，对于去除催化剂颗粒，常用的方法大致可分为物理法和化学法。物理法是利用碳纳米笼与催化剂颗粒物理性质的差异，借助于高温处理、磁分离、超声分散、微孔过滤、离心分离等方法将其相互分离而达到去除目的。但是这种方法不但产率低，部分碳纳米笼随催化剂颗粒一同被去除，而且效率低，较小的催化剂颗粒不能被完全去除。化学法是根据碳纳米笼与催化剂颗粒之间的化学性质差异，用酸、碱、盐等化学试剂与之反应，生成易挥发或者可溶性的物质，达到去除催化剂的效果，主要有气相氧化法、液相氧化法、电化学氧化法、插层氧化法等方法。但化学法通常以消耗部分碳纳米笼为代价，碳纳米笼结构破坏严重，损失量大。当碳纳米笼具有良好石墨化结构且外壁较厚时，上述氧化处理方法不能有效去除催化剂颗粒；而当其外壁较薄时，其较薄的石墨层很容易被全部氧化掉，得不到空心碳纳米笼结构，损失严重。

对现有技术文献进行检索发现，Y.W.Ma等在《Carbon》(碳)，43(2005)第1667～1672页发表了“A practical route to the production of carbonnanocages(制备碳纳米笼的方法)”一文，文中介绍了一种酸洗去除碳纳米笼催化剂的方法，具体工艺为：首先将原始样品置于4mol/L HNO₃中室温处理5小时，然后升温至120℃处理4小时，最后将样品过滤收集并转移到12mol/L HCl中处理数十小时，可以去除碳纳米笼内部大部分铁颗粒；该方法的不足在于：这种方法所得碳纳米笼内部铁颗粒去除不彻底，而且纳米笼壁上产生孔道造成过多缺陷；Z.M.Sheng等在《Advanced Materials》(先进材料)，20(2008)第1071～1672页发表了“Thin-Walled Carbon Nanocages：Direct Growth，Characterization，and Applications(薄壁碳纳米笼：直接制备，性能和应用)”一文，文中介绍了一种高温处理辅以磁分离和酸洗去除催化剂颗粒的方法，具体工艺为：首先将样品置于刚玉管中充入氩气保护，将刚玉管迅速加热到1000℃～1350℃，对碳纳米笼进行2小时高温处理；然后将处理后的样品分散在表面活性剂水溶液中超声震荡0.5小时，再在外加磁场上静置3小时，将含铁颗粒的碳纳米笼沉积至底部而空心碳纳米笼分散在上层溶液中，将上层溶液中的样品过滤收集。此过程重复多次，将收集到的空心纳米笼于250℃空气氧化30分钟，并在80℃下用盐酸酸洗2小时；最后用去离子水过滤得到纯化后的碳纳米笼。结果显示碳纳米笼中铁颗粒被有效去除且石墨层没有遭受破坏，其不足在于：这种去除催化剂的方法工艺过于复杂，大部分包含催化剂颗粒的碳纳米笼被分离出去而得不到有效利用，产量极低。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种加碘热处理制备空心碳纳米笼的方法。本发明可有效去除碳纳米笼内部的金属催化剂颗粒，处理过程对碳纳米笼的石墨结构破坏较小，损失量也较小，本发明的方法简便，成本低，易于实现工业化生产。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括以下步骤：

步骤一，将反应器升至1000℃～1300℃，惰性气体与乙炔混合气体流经金属羰基类液体后流向反应器，惰性气体流速为100L～200L/h，乙炔流速为10ml～100ml/min，在反应器尾部产物收集器中得到包裹有金属催化剂颗粒的实心碳纳米笼；

步骤二，将碘与步骤一得到的实心碳纳米笼按重量比≥2∶1混和并置于反应器中，通入惰性气体，将反应器温度升至400℃～1000℃，保温10～60分钟；

步骤三，将步骤二所得混合物在乙醇或者丙酮中超声震荡10～30分钟，经过滤、去离子水洗涤，80℃干燥，即得到去除金属催化剂颗粒的空心碳纳米笼。