[發明專利]一種制備碳納米空心球的方法

有效

• 申請號: 200910013443.3
• 申請日: 2009-08-27
• 公開（公告）號: CN101993057A
• 公開（公告）日: 2011-03-30
• 發明（設計）人: 侯鵬翔;劉暢;成會明
• 申請（專利權）人: 中國科學院金屬研究所
• 主分類號: C01B31/02
• 分類號: C01B31/02;B82B3/00
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 張志偉

技術領域

本發明涉及碳納米空心球領域，特別是一種簡單制備碳納米空心球的方法，具體為以直徑均勻的納米硅球粉為模板，在較低溫度下將碳均勻沉積在納米硅球粉表面，利用氫氧化鈉溶液將納米硅球粉去除，最后獲得結構可控的碳納米空心球的方法。

背景技術

碳納米空心球具有良好的生物相容性、化學穩定性好、耐熱沖擊、強度高、比表面積大等特點，被認為是材料界的新星，可望用于鋰離子電池、燃料電池、催化劑載體、藥物傳輸、活性物質儲存、阻尼材料等。為此，可控制備碳納米空心球的研究受到了越來越多的關注。碳納米空心球的制備方法主要有化學氣相沉積法、模板法、溶劑熱法，其中模板法是最有可能實現碳納米空心球可控制備的方法之一。

到目前為止，國內外對模板法可控制備碳納米空心球的研究報道十分有限：[文獻1，Wang?Y，Su?FB，Lee?YL，Zhao?XS.Chem.Mater.18：1347(2006)；文獻2，Xia?YD，Yang?ZX，Mokaya?R.J.Phys.Chem.B?108：19293(2004)]。該方法目前存在的主要問題是：在模板表面沉積碳層的溫度較高(≥900℃)，所用模板直徑較大(＞200nm)，且沒有關于碳納米空心球結構控制(內徑、壁厚、比表面積等)的報道；另外，模板的去除均采用劇毒試劑HF酸溶液，這些缺點限制了模板法制備碳納米空心球的研究。

發明內容

本發明的目的在于提供一種在低溫下、無公害、且結構可控制備碳納米空心球的方法，解決了目前模板法制備碳納米空心球所遇到的耗能、耗時、環境污染等問題，并首次提出對碳納米空心球的結構進行控制。

本發明的技術方案是：

一種制備碳納米空心球的方法，碳納米空心球的內徑在30～200nm范圍內精確可控，壁厚在1～50nm范圍內精確可控，比表面積在100～1000m²/g范圍內可控。

優選范圍為：碳納米空心球的內徑在30～100nm范圍內精確可控，壁厚在5～20nm范圍內精確可控，比表面積在200～600m²/g范圍內可控。

所述制備碳納米空心球的方法，具體步驟如下：

(1)以直徑均勻的球型納米硅粉為模板，以有機小分子氣態烴類為碳源，以惰性氣體或氮氣為載氣，采用化學氣相沉積法在模板上均勻沉積厚度在1～50nm的炭層，得到納米硅球/碳的復合物。

(2)把復合物放入氫氧化鈉水溶液中，在60～100℃磁力攪拌處理，或者在100～150℃的較高溫度下水熱處理，處理時間為30min～5h，抽濾，用去離子水沖洗，干燥后，獲得結構可控的碳納米空心球。

所述的納米硅球粉是由等離子弧氣相合成方法制備，其外徑在30～200納米間可控，優選范圍為30～100nm，碳納米空心球的內徑由所選硅納米球的外徑決定，碳納米空心球的壁厚和比表面積可由化學氣相沉積條件精確調控。

所述有機小分子碳源為甲烷、乙炔、乙烯或丙烯等氣態烴類，所述惰性氣體為氬氣。

所述化學氣相沉積法的氣相沉積溫度為600～900℃，升溫速率為5～30℃/min，氣相沉積時間0.25～5小時，碳源氣體體積濃度為1～20％，優選范圍為5～10％。

所述氫氧化鈉水溶液的濃度為0.5～10mol/L(M)。

本發明的優點是：

1、本發明采用硬模板方法可制備結構精確可控的碳納米空心球，碳納米空心球的內徑在30～200nm范圍內精確可控，壁厚在1～50nm范圍內精確可控，比表面積在100～1000m²/g的范圍內精確可控，其制備方法簡單。

2、本發明方法低能耗，在較低的化學氣相沉積溫度下(600～900℃)，就可將碳均勻沉積在硅納米球表面。

3、本發明方法時間短、在較短的化學氣相沉積時間(0.25～5h)及較短的氫氧化鈉水溶液處理時間(0.25～5h)內，就可得到結構可控的碳納米空心球。

4、本發明方法環境友好，去除硅納米球模板的試劑采用價格低廉且無公害的氫氧化鈉水溶液，取代劇毒試劑HF酸溶液，使得模板法大量制備結構可控的碳納米空心球成為可能。

附圖說明

圖1.碳納米空心球的液氮吸脫附等溫線及孔徑分布曲線。

圖2.碳納米空心球的透射電鏡照片。

具體實施方式

下面通過實施例詳述本發明。

實施例1.