[發明專利]一種空心碳球的制備方法

無效

• 申請號: 200810079313.5
• 申請日: 2008-08-27
• 公開（公告）號: CN101362595A
• 公開（公告）日: 2009-02-11
• 發明（設計）人: 劉旭光;楊永珍;羅秋蘋;許并社
• 申請（專利權）人: 太原理工大學
• 主分類號: C01B31/02
• 分類號: C01B31/02
• 代理公司: 太原市科瑞達專利代理有限公司
• 代理人: 江淑蘭

1.一種空心碳球的制備方法，其特征在于：制取方法如下：

(1)精選化學物質原料

對制取使用的化學物質原料進行精選，并進行純度控制：

脫油瀝青：固態粉體?含碳量?92％～93％

鹽酸：液態?濃度?38％

去離子水：液態?99.99％

氬氣：氣態?95％

氮氣：氣態?95％

潔凈空氣：氣態

(2)研磨、過篩

對制備使用的脫油瀝青要進行研磨、過篩，并進行細度控制；

將脫油瀝青40g置于瑪瑙研缽中，用瑪瑙研棒進行研磨，然后用200目篩網進行過篩，反復研磨、反復過篩，留下細粉4g±0.04g，其細粉粒經≤150μm；

(3)清洗清潔石英管

①鹽酸灌洗：鹽酸300ml，灌入石英管，重復進行三次；

②去離子水灌洗：去離子水2000ml，灌入石英管，重復進行三次；

③晾干；

(4)超聲波清洗、清潔石英載物舟

①鹽酸超聲波清洗：鹽酸150ml±5ml注入石英載物舟內，然后置于超聲波清洗器內，超聲清洗15min±2min，清洗后晾干；

②去離子水超聲波清洗：去離子水500ml±10ml，注入石英載物舟內，然后置于超聲波清洗器內，超聲清洗15min±2min，清洗后晾干；

(5)真空干燥石英載物舟

將石英載物舟置于真空干燥箱中，在真空度5Pa、溫度150℃±5℃狀態下，干燥20min±2min；

(6)氬氣+氮氣清潔石英管

①將氬氣管通入石英管，向管內輸入氬氣，輸入速度150cm³/min，輸入時間為3min；

②將氮氣管通入石英管，向管內輸入氮氣，輸入速度150cm³/min，輸入時間為3min；

③氬氣+氮氣驅除管內有害氣體，使石英管內處于惰性氣體氣氛中；

(7)置放石英載物舟+脫油瀝青粉末

①將脫油瀝青粉末4g±0.04g置于石英載物舟內；

②將盛有脫油瀝青粉末的石英載物舟置于石英管進氣區段；

(8)同時輸入氬氣、氮氣

①開啟氬氣管，向石英管內輸入氬氣，輸入速度150cm³/min，輸入時間453min；

②開啟氮氣管，向石英管內輸入氮氣，輸入速度150cm³/min，輸入時間453min；

③開啟石英管出氣孔，自動調節石英管內惰性氣體氣壓，石英管內壓強值持續保持在1001.3Pa；

(9)制備實心碳球

①將盛有原料粉末的石英載物舟置于石英管左部進氣區段；

②將石英管左向插入管式高溫爐內；

③開啟管式高溫爐，使石英管內溫度由20℃±3℃逐漸升溫至1150℃±10℃，升溫速度10℃/min，升溫時間113min±5min，當石英管內高溫區段升至1150℃時，恒溫40min±1min；進氣區段、低溫冷卻區段溫度為550℃±50℃；

④石英管及石英載物舟在管式高溫爐內由左向右移動，移動速度為3mm/min，并由導軌控制器控制；

⑤石英載物舟內的脫油瀝青粉末，在氬氣、氮氣氣流推動下，在高溫1150℃±10℃狀態下，脫油瀝青粉末進入管式高溫爐高溫區段，進行熱解反應及形態轉化，由固態—液態—氣態—固態，碳以氣態分子形式分解—沉積—生長，在石英管高溫區內壁上生成實心碳球，在熱解反應過程中進行物理化學反應，反應式如下：

式中：

C——碳

H₂——氫氣

CO₂——二氧化碳

CO——一氧化碳

H₂S——硫化氫

H₂O——水蒸汽

熱解產生甲烷、一氧化碳、低烴類化合物在1150℃±10℃狀態下熱解為碳，成為活性碳原子，碳原子不斷沉積，在界面凝固，由內殼層向外殼層推進，在石英管高溫區內壁形成固態、團簇、絮狀、實心碳球；

⑥實心碳球冷卻

關閉管式高溫爐，使其降溫，在氬氣+氮氣持續輸入保護下，實心碳球隨爐冷卻至20℃±3℃，時間300min；

(10)收集實心碳球

關閉氬氣、氮氣管，停止供氣，打開管式高溫爐，取出石英管，收集石英管高溫區段內壁上的堆積物，即：黑色、團簇、絮狀實心碳球；

(11)用熱處理法制備空心碳球

①研磨、過篩

將制備的黑色、團簇、絮狀、實心碳球置于瑪瑙研缽中，用瑪瑙研棒進行研磨、然后過篩、反復研磨、反復過篩，用625目篩網進行過篩，實心碳球粒經≤24μm；

②將研磨、過篩后的實心碳球粉末置于石英載物舟內；

③將盛有實心碳球粉末的石英載物舟置于石英管內中間區段；

④將石英管置于管式高溫爐中間高溫區段；

⑤開啟氬氣瓶、氮氣瓶，向石英管內輸入氬氣+氮氣，驅除管內有害氣體，輸入速度150cm³/min，輸入時間5min，然后關閉氬氣、氮氣瓶；

⑥開啟管式高溫爐，使石英管內溫度由20℃±3℃逐漸升溫至520℃±5℃，在此溫度恒溫、保溫300min±5min；

⑦開啟空氣壓縮機、空氣濾清器，同時向石英管內輸入潔凈空氣，輸入速度200cm³/min，輸入時間300min±5min；

⑧石英載物舟內的實心碳球粉末在溫度520℃±5℃狀態下、在潔凈空氣輸入狀態下，在時間300min±5min條件下，與潔凈空氣中的氧原子形成碳氧化合物，并揮發，在形成碳氧化合物的過程中，形成最終產物：空心碳球；

⑨隨爐冷卻

關閉管式高溫爐，停止加熱；

關閉空氣壓縮機、空氣濾清器，停止輸入潔凈空氣；

在靜置狀態下，使產物隨爐冷卻，由520℃±5℃冷卻至20℃±3℃，冷卻時間100min；

(12)收集產物

打開石英管，取出石英載物舟，取出產物，即：黑色、團簇、絮狀空心碳球；

(13)研磨、過篩

將產物置于瑪瑙研缽中，用瑪瑙研棒進行研磨、反復研磨、反復過篩，篩網目數625目，制得最終產物，即：黑色、空心碳球，碳球平均直徑500nm，空心平均直徑300nm；

(14)檢測、化驗、分析、表征、對比

對產物色澤、形貌、成分、含碳量、物理化學性能進行檢測、分析、表征；

用場發射掃描電鏡放大10000倍，對實心碳球和空心碳球進行形貌分析；

用高分辨電子顯微鏡放大60000倍，對空心碳球微觀結構進行分析；

用X射線衍射儀對空心碳球晶體結構進行檢測、分析；

(15)產物儲存

將制取的黑色空心碳球置于無色透明的玻璃容器中，密閉儲存，干燥、陰涼、潔凈環境，要防水、防潮、防曬、防酸堿鹽侵蝕，儲存溫度20℃±3℃，相對濕度≤20％。