[發明專利]一種高度石墨化納米碳材料的制備方法

無效

• 申請號: 200810011090.9
• 申請日: 2008-04-18
• 公開（公告）號: CN101559938A
• 公開（公告）日: 2009-10-21
• 發明（設計）人: 馬丁;陳鍇;包信和
• 申請（專利權）人: 中國科學院大連化學物理研究所
• 主分類號: C01B31/02
• 分類號: C01B31/02;B22F1/02;B82B3/00
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司
• 代理人: 馬 馳;周秀梅

技術領域

本發明涉及碳納米材料和磁性金屬納米材料，特別是涉及一種粒徑可控的高度石墨化碳包裹磁性金屬納米粒子、空心碳球以及多壁碳納米管材料的制備方法。

背景技術

高度石墨化的碳材料，如碳球、碳納米管、碳纖維等，由于其良好的電子、機械性能，化學惰性，生物相容性，正在被廣泛地應用于工程、電子、化工、生物等領域。其中石墨化的空心碳球，在超電容、催化劑負載、藥物緩釋等方面有廣闊的應用前景，而碳包裹的磁性金屬粒子由于石墨外殼優異的物理化學性質，保護了其中活潑的磁性金屬，在電磁學、光學性質的研究以及核磁共振成像等領域有著重要的應用。

迄今為止，科學家們探索了多種制備高石墨化碳材料的方法，如化學氣相沉積(CVD)(Rodriguez，N.M.；Chambers，A.；Baker，R.T.K.Langmuir1995，11，3862)、電弧放電(Saito，Y.；Matsumoto，T.Nature?1998，392，237)、激光蒸發(Thess，A.；Lee，R.；Nikolaev，P.et?al?Science?1996，273，483)、溶劑熱(Jiang，Y.；Wu，Y.；Zhang，S.Y.et?al?J.Am.Chem.Soc.2000，122，12383)等方法。但是這些方法一般都需要昂貴的特殊設備，以及大量的能源輸入。尤其是制備碳包裹金屬粒子和空心碳球的方法，主要采用CVD和電弧放電法，產物的粒徑不易控制，且純度較低，給進一步應用帶來了限制。

近年來，微波輻射作為一種新穎的加熱方法被人們廣泛應用于有機合成中(Kappe，C.O.，Angew.Chem.Int.Ed.，2004，43，6250)。微波加熱具有速度快、效率高、有選擇加熱和體系中溫度均勻的特點(Galema，S.A.，1997，26，233)。有報道在CVD過程中用微波作為加熱手段合成碳納米管(Hong，E.H.，et?al.，Advanced?Functional?Materials，2003，13，961)。Manohar等人利用導電聚合物吸收微波的特點，把預先合成好的各種形貌的導電聚合物在微波場中加熱，得到了保持原有形貌的石墨化碳材料(Zhang，X.Y.and?S.K.Manohar，Chemical?Communications，2006，2477)。但是導電聚合物前體昂貴，形貌控制方法復雜，成本高。我們注意到具有鐵磁性的金屬、合金或氧化物，會強烈吸收微波(Toneguzzo，P.，et?al.，Journal?of?Materials?Science，2000，35，3767)，同時這些金屬也是常用的成碳催化劑。在這一基礎上，申請人開發出一種新穎的用微波加熱制備粒徑可控的高度石墨化碳包裹磁性金屬納米粒子、空心碳球以及多壁碳納米管材料的方法。

發明內容

本發明的目的是提供一種產率高、操作簡單快速又能可控制備碳包裹磁性金屬納米粒子、空心碳球以及多壁碳納米管材料的高效制備方法。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案為：

一種高度石墨化納米碳材料的制備方法，

1)將磁性金屬或金屬氧化物粒子與有機碳前驅材料均勻混合，混合物中磁性金屬或金屬氧化物粒子占總重量的10-80％；

2)將混合物放入微波爐中，微波處理3秒或3秒以上，微波功率300-3000W；磁性粒子強烈吸收微波升至高溫，在高溫下金屬氧化物將被富碳的高分子還原為金屬。同時富碳的有機分子在高溫和金屬粒子的催化下裂解成碳，即得到碳包裹磁性金屬納米粒子及多壁碳納米管材料。

將混合物放入微波爐中加熱，幾秒鐘達到紅熱即可得到最終產物，繼續加熱產物不變。當所加入的磁性粒子粒徑大于20nm時，可以得到石墨碳包裹的磁性金屬納米粒子，其大小與加入的粒子相當，碳壁的厚薄在2-50nm，隨著混合時高分子所占比例增加而增加。經適當的酸處理后，可以得到溶去金屬的空心碳球。而當所加入的磁性粒子粒徑小于20nm時，得到的產物是石墨碳包裹的磁性金屬納米粒子和多壁碳納米管的混合物，兩者重量大致相等。所得到的碳管直徑與選用的磁性粒子粒徑相當。

其中碳包裹的磁性金屬納米粒子經適當的酸處理后，可以得到溶去金屬的空心碳球；所獲得的碳包裹的磁性金屬納米粒子或多壁碳納米管材料可采用PH＜2的酸溶液(如鹽酸、硫酸或硝酸等)超聲下處理；當處理時間低于1小時，可以得到溶去部份金屬的帶空隙的碳球，即剩余部分金屬的碳球，調節酸的濃度和酸處理的時間，剩余金屬的比例也可以調節；當處理時間為2小時以上，即可溶去95％以上的金屬粒子，得到空心碳球。