[发明专利]一种催化裂解法制备内嵌磁性金属碳洋葱的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种催化裂解法制备内嵌磁性金属碳洋葱的方法，特别是提供了一种低成本、批量生长核心金属可调控的内嵌磁性金属碳洋葱的制备方法，属于碳洋葱技术领域。

背景技术

碳洋葱作为富勒烯家族的新兴成员，是一种零维碳纳米材料，由于其良好的电子、机械性能，化学稳定性，热稳定性，生物相容性，正在被广泛地应用于电子、化工、吸波、生物等领域。其中，实心或中空碳洋葱在超级电容器、催化剂负载、药物缓释等方面有广阔的应用前景。而内嵌磁性金属碳洋葱由于石墨化外壳优异的物理化学性质，保护了其中活泼的磁性金属，在电磁、光学性质的研究以及核磁共振成像、电催化、磁性悬浮密封液、吸波隐身等领域有着重要的应用。

经过25年的发展，科研人员设计了多种方法合成碳洋葱，如化学气相沉积、电弧放电、激光蒸发、碳正离子注入、热解等方法。然而大部分合成方法都需要昂贵的特殊设备，以及很高的能耗，而且不利于工业化批量生产。在先技术CN1598046A的一种“化学气相法制备洋葱状富勒烯”方法以及CN1931717A的一种“粒径均匀的洋葱状富勒烯复合材料的制备方法”中提供了CVD法制备碳洋葱的工艺，但受CVD法温度限制，反应提供的低活化能使得所合成碳洋葱的碳层石墨化程度低，而且上述两种方法并未提供可以用于批量化生产碳洋葱的工艺参数。

综上，现有技术中存在制备内嵌磁性金属碳洋葱成本高、能耗高、产量低、无法批量化生产、石墨化程度低、反应条件苛刻等诸多工程问题，因此，有必要对其进行改进。

发明内容

为了克服现有技术中所存在的不足，本发明提供一种零排放、批量化制备石墨化程度高的内嵌磁性金属碳洋葱的方法，该方法一方面进一步将CVD法所得碳洋葱粗品置于浓酸中搅拌，使得碳洋葱碳层的石墨化程度大幅增加，另一方面通过调整参数实现碳洋葱的批量化生产，且所用甲烷气体可通过循环装置再次进入裂解反应器，使得整个反应除产生氢气外没有其他温室及有害气体。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：

一种催化裂解法制备内嵌磁性金属碳洋葱的方法，按下述步骤进行：

S1：将催化剂置于催化裂解反应器中，并通入氮气排出催化裂解反应器内空气；所述催化剂为磁性金属或磁性金属氧化物；

S2：将烷烃气体作为原料气，通入催化裂解反应器进行催化裂解反应；

S3：裂解反应完成后，催化裂解反应器在氮气保护下冷却至室温，收集产品及残存催化剂，置于稀酸中搅拌，得到内嵌金属碳洋葱粗品；

S4：将内嵌金属碳洋葱粗品置于混酸中搅拌，静置清晰，再用蒸馏水稀释，静置再次清晰，真空抽滤，得到内嵌磁性金属碳洋葱。

S1中，所述磁性金属为铁、镍或二者混合物。

进一步地，所述磁性金属负载于不锈钢上，且所负载的磁性金属颗粒为10-100 nm。

S1中，所述磁性金属氧化物为氧化铁、氧化镍或二者混合物。

进一步地，所述磁性金属氧化物置于磁舟中，且所负载的磁性金属氧化物颗粒为10-100 nm。

S2中，烷烃气体在600~1000 ℃和1~8 bar的压力下，以200-500 sccm的流速通入催化裂解反应器，反应时间为2-8h。

进一步地，所述烷烃气体为天然气、煤层气、沼气和甲烷中的至少一种。

S3中，所述稀酸为1 mol/L的 HCl，HNO₃或H₂SO₄，常温搅拌10h。

S4中，所述混酸为浓硫酸与浓硝酸的混合物，体积比为1:3。

进一步地，所述内嵌金属碳洋葱粗品置于混酸中搅拌24h后静置。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：

1）本发明所采用的反应原料为烷烃气体和磁性金属或磁性金属氧化物，因此原材料成本低廉，反应原理简单易行，对设备要求很低；

2）本发明实施步骤简单可控，反应条件相对温和，原料利用率高，产品质量稳定，粒径均匀，产物制备收率最高达到90.2%；

3）本发明大幅提高了天然气、煤层气或沼气的利用率并且有效控制了温室气体CO₂的排放，相比于这些气体的直接燃烧利用，本发明除可以生产高附加值的碳洋葱纳米材料和氢气，同时还实现了零排放技术，对环境非常友好；