[發明專利]一種催化裂解法制備內嵌磁性金屬碳洋蔥的方法

在審

• 申請號: 201711222949.6
• 申請日: 2017-11-29
• 公開（公告）號: CN107857247A
• 公開（公告）日: 2018-03-30
• 發明（設計）人: 張衛柯;阮超;朱衛中;王學霞
• 申請（專利權）人: 山西中興環能科技股份有限公司
• 主分類號: C01B32/05
• 分類號: C01B32/05
• 代理公司: 北京志霖恒遠知識產權代理事務所(普通合伙)11435
• 代理人: 申紹中

技術領域

本發明涉及一種催化裂解法制備內嵌磁性金屬碳洋蔥的方法，特別是提供了一種低成本、批量生長核心金屬可調控的內嵌磁性金屬碳洋蔥的制備方法，屬于碳洋蔥技術領域。

背景技術

碳洋蔥作為富勒烯家族的新興成員，是一種零維碳納米材料，由于其良好的電子、機械性能，化學穩定性，熱穩定性，生物相容性，正在被廣泛地應用于電子、化工、吸波、生物等領域。其中，實心或中空碳洋蔥在超級電容器、催化劑負載、藥物緩釋等方面有廣闊的應用前景。而內嵌磁性金屬碳洋蔥由于石墨化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、光學性質的研究以及核磁共振成像、電催化、磁性懸浮密封液、吸波隱身等領域有著重要的應用。

經過25年的發展，科研人員設計了多種方法合成碳洋蔥，如化學氣相沉積、電弧放電、激光蒸發、碳正離子注入、熱解等方法。然而大部分合成方法都需要昂貴的特殊設備，以及很高的能耗，而且不利于工業化批量生產。在先技術CN1598046A的一種“化學氣相法制備洋蔥狀富勒烯”方法以及CN1931717A的一種“粒徑均勻的洋蔥狀富勒烯復合材料的制備方法”中提供了CVD法制備碳洋蔥的工藝，但受CVD法溫度限制，反應提供的低活化能使得所合成碳洋蔥的碳層石墨化程度低，而且上述兩種方法并未提供可以用于批量化生產碳洋蔥的工藝參數。

綜上，現有技術中存在制備內嵌磁性金屬碳洋蔥成本高、能耗高、產量低、無法批量化生產、石墨化程度低、反應條件苛刻等諸多工程問題，因此，有必要對其進行改進。

發明內容

為了克服現有技術中所存在的不足，本發明提供一種零排放、批量化制備石墨化程度高的內嵌磁性金屬碳洋蔥的方法，該方法一方面進一步將CVD法所得碳洋蔥粗品置于濃酸中攪拌，使得碳洋蔥碳層的石墨化程度大幅增加，另一方面通過調整參數實現碳洋蔥的批量化生產，且所用甲烷氣體可通過循環裝置再次進入裂解反應器，使得整個反應除產生氫氣外沒有其他溫室及有害氣體。

為了解決上述技術問題，本發明所采用的技術方案為：

一種催化裂解法制備內嵌磁性金屬碳洋蔥的方法，按下述步驟進行：

S1：將催化劑置于催化裂解反應器中，并通入氮氣排出催化裂解反應器內空氣；所述催化劑為磁性金屬或磁性金屬氧化物；

S2：將烷烴氣體作為原料氣，通入催化裂解反應器進行催化裂解反應；

S3：裂解反應完成后，催化裂解反應器在氮氣保護下冷卻至室溫，收集產品及殘存催化劑，置于稀酸中攪拌，得到內嵌金屬碳洋蔥粗品；

S4：將內嵌金屬碳洋蔥粗品置于混酸中攪拌，靜置清晰，再用蒸餾水稀釋，靜置再次清晰，真空抽濾，得到內嵌磁性金屬碳洋蔥。

S1中，所述磁性金屬為鐵、鎳或二者混合物。

進一步地，所述磁性金屬負載于不銹鋼上，且所負載的磁性金屬顆粒為10-100 nm。

S1中，所述磁性金屬氧化物為氧化鐵、氧化鎳或二者混合物。

進一步地，所述磁性金屬氧化物置于磁舟中，且所負載的磁性金屬氧化物顆粒為10-100 nm。

S2中，烷烴氣體在600~1000 ℃和1~8 bar的壓力下，以200-500 sccm的流速通入催化裂解反應器，反應時間為2-8h。

進一步地，所述烷烴氣體為天然氣、煤層氣、沼氣和甲烷中的至少一種。

S3中，所述稀酸為1 mol/L的 HCl，HNO₃或H₂SO₄，常溫攪拌10h。

S4中，所述混酸為濃硫酸與濃硝酸的混合物，體積比為1:3。

進一步地，所述內嵌金屬碳洋蔥粗品置于混酸中攪拌24h后靜置。

與現有技術相比，本發明所具有的有益效果為：

1）本發明所采用的反應原料為烷烴氣體和磁性金屬或磁性金屬氧化物，因此原材料成本低廉，反應原理簡單易行，對設備要求很低；

2）本發明實施步驟簡單可控，反應條件相對溫和，原料利用率高，產品質量穩定，粒徑均勻，產物制備收率最高達到90.2%；

3）本發明大幅提高了天然氣、煤層氣或沼氣的利用率并且有效控制了溫室氣體CO₂的排放，相比于這些氣體的直接燃燒利用，本發明除可以生產高附加值的碳洋蔥納米材料和氫氣，同時還實現了零排放技術，對環境非常友好；