一种纳米碳的制备方法与流程

本发明属于碳功能材料合成技术领域，特别涉及一种纳米碳的制备方法。c01b31/02；b82y40/00；

背景技术：

自1991年iijima采用高分辨电镜从制取c60的阴极中首次发现碳纳米管以来，由于其纳米量级的轴向结构所表现出的典型的一维量子性，以及其一维量子材料所具有的高机械强度等性能，这种纳米尺寸的碳纳米材料立即引起全球物理、化学与材料学的极大关注，从各个方面进行研究，探索其合成方法，以寻求合适的纳米材料结构与生长机制，研制出适合研究需要的碳纳米材料。纳米技术是利用纳米材料性能的独特性而使材料在力学、磁学、热学、催化等方面的性能发生明显改变。当细粉的粒度达到纳米尺度时，由于极细的晶粒、较高比表面积和大量处于晶界和晶粒内缺陷中心的原子，使其在性能上与微米级粉体间有着显著的差异，应用后会产生一些特殊效果。对纳米碳材料的研究和产业化掀起了一个新的高潮。

目前碳纳米材料的合成方法很多，如原位合成法、激光蒸发法和化学气相沉积法等，其制备材料的特性存在很大差异，无定型碳、碳纳米颗粒、碳纳米纤维和碳纳米管等。这些传统方法存在着能耗高，污染大，生产设备复杂等缺点。燃烧合成又称自蔓延高温合成法(shs)，是在强还原剂和氧化剂间发生的一种高放热、自发的快速氧化还原反应。高效制备新型纳米结构的关键是选择恰当的反应物，反应通常在非平衡条件下进行，因此会得到新的形貌和化学计量的产物。作为一种制备新型纳米材料的方法，其反应时间短、能耗低、产率高，能量利用率高，经济环保，符合节能减排、降耗的可持续发展理念。孙晓明等人(孙晓明，一种杂原子掺杂型碳材料的室温制备方法：中国，cn201510316646.5)将聚偏二氯乙烯或聚氯乙烯与强氧化物与强极性溶剂混合后得到的混合物充分研磨后清洗并干燥得到了掺杂碳材料。孔庆红等人(孔庆红，一种以聚合物为原料生产多壁碳纳米管的方法：中国，cn200810020400.3)将聚乙烯或聚丙烯和催化剂按照不同比例配料后置于高压反应釜中，高温焙烧后经过冷却、酸洗和烘干后得到了碳纳米管。由于直接焚烧塑料会带来有毒物质二噁英，而掩埋法不能降解则会造成社会问题。研究者用再生后的pvc作为自蔓延高温合成反应制备纳米碳的原料，效率高，能耗少，环保。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷和不足，本发明的目的在于提供一种纳米碳的制备方法，以聚合物为碳源制备纳米碳，该方法制备工艺简单，其反应时间短、能耗低、产率高。

为了实现上述任务，本发明采取如下技术解决方案：

一种纳米碳的制备方法，包括将碳源、还原剂和催化剂混合后作为原料，采用自蔓延高温合成法制备纳米碳；

所述的碳源为聚氯乙烯，所述的还原剂为mg粉或铝粉，所述的催化剂为二茂铁或草酸亚铁。

具体的，按质量百分比计，原料中碳源为83％～84％，原料中还原剂为15％～16％，原料中催化剂为0～1％，不包含端点值0％，上述原料的质量百分比之和为100％。

优选的，按质量百分比计，原料中碳源为83.37％，原料中还原剂为15.88％，原料中催化剂为0.75％。

优选的，按质量百分比计，原料中碳源为83.79％，原料中还原剂为15.96％，原料中催化剂为0.25％。

详细的，所述的碳源、还原剂和催化剂按质量百分比进行配料后，在氩气1mpa压力下进行自蔓延高温合成反应即得纳米碳。

本发明的优点为：

(1)本发明涉及了一种纳米碳的制备方法，具体是通过聚氯乙烯、镁和不同催化剂混合后进行自蔓延高温合成，此过程克服传统方法制备纳米碳的耗时、耗能、污染大和设备复杂等缺点，更加节能环保。

(2)所述的制备纳米碳的方法，利用再生后的pvc作为自蔓延高温合成反应制备纳米碳的原料，避免了由于直接焚烧塑料带来有毒物质二噁英的危害，以及掩埋法不能降解造成的社会问题。

(3)所述方法制备的纳米碳，预期目标会得到较高的比表面积及发达的孔径，这有利于得到较高比容量和快速电荷传递双电层结构。将得到的碳材料在测试其比表面积及比电压等性能后用于超级电容器中。

附图说明

图1为本发明的制备工艺流程图；

图2为本发明实施例1制备的纳米碳的xrd；

图3为本发明实施例1制备的纳米碳的拉曼图；

图4为本发明实施例1制备的纳米碳的sem图；

图5为本发明实施例2制备的纳米碳的xrd图；

图6为本发明实施例2制备的纳米碳的拉曼图；

图7为本发明实施例2制备的纳米碳的sem图；

图8为本发明实施例3制备的纳米碳的xrd图；

图9为本发明实施例3制备的纳米碳的拉曼图；

图10为本发明实施例3制备的纳米碳的sem图；

以下结合说明书附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

具体实施方式

结合图1，本发明的纳米碳的制备方法，包括将碳源、还原剂和催化剂进行配料，球磨机混匀后干压成型得到试样，通过钨丝通电点火引燃进行燃烧合成(又叫自蔓延高温合成法)反应，反应后的试样进行酸洗、水洗得的纳米碳。

碳源为聚氯乙烯，还原剂为mg粉或铝粉，催化剂为二茂铁或草酸亚铁。

本发明中使用的聚氯乙烯不用考虑其聚合度或分子量，只需要其来提供制备纳米碳的碳源，任何聚合度或分子量的聚氯乙烯都能实现本发明的制备结；

本发明使用的mg粉或铝粉，选用的粒径最好为300目，原则上只要是市场上能买到的镁粉或铝粉都可以。

采用自蔓延高温合成技术制备纳米碳粉，克服了传统方法制备纳米碳粉的耗时、耗能、污染大和设备复杂等缺点，提高了生产效率，达到高效、节能环保。不需额外的引燃剂，可直接通过自蔓延高温合成得到纳米碳。

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。在本发明给出的聚氯乙烯、mg粉和不同催化剂按质量百分比进行配料，通过自蔓延高温合成反应均能制备纳米碳。

实施例1：

本实施例采用聚氯乙烯粉(纯度≥99.0％)，mg粉(纯度≥99.0％)、为原料，按质量百分比计，聚氯乙烯粉(纯度≥99.0％)为84％，mg(纯度≥99.0％)为16％，聚氯乙烯和mg粉的质量百分比之和为100％。

将混合均匀的原料装入坩埚中，再对其进行轻压成型，将试样放入自蔓延高温反应炉中，通过钨丝通电点火进行燃烧合成制备纳米碳。

在抽真空(真空度为-0.092mp)，充氩气到1mpa，点火引燃试样发生自蔓延高温合成反应，点火后即关闭电源，打开排气阀门，而后待炉温降至室温，压力表归零后，开启炉门，将物料取出。对烧成的物料进行水洗、酸洗后研磨，即得到纳米碳。

对制备的纳米碳进行x射线衍射分析，得到xrd图谱，参见图2，出现了很强的石墨峰(002)，说明经过酸洗、水洗后之后，反应产物中确有结晶态碳产生，且有氯化镁的剩余。对实施例制备的纳米碳进行了拉曼光谱分析，得到的拉曼光谱图参见图3，由图3可知，得到了反映结晶程度的g(1580cm^-1附近)和缺陷峰d峰(1350cm^-1附近)，说明反应产物中有碳，从sem图中可以看出，参见图4，得到的碳呈圆球形状。

实施例2：

本实施例与实施例1不同的是：按质量百分比计，原料中内掺催化剂二茂铁的量为0.75％，原料中聚氯乙烯为83.37％，原料中mg粉为15.88％，二茂铁、聚氯乙烯和mg粉的质量百分比之和为100％。

对制备的纳米碳进行x射线衍射分析，得到xrd图谱，参见图5，出现了很强的石墨峰(002)，说明经过酸洗、水洗后之后，反应产物中确有结晶态碳产生。对实施例制备的纳米碳进行了拉曼光谱分析，得到的拉曼光谱图参见图6，由图6可知，得到了反映结晶程度的g(1580cm^-1附近)和缺陷峰d峰(1350cm^-1附近)，和2d峰(2700cm^-1附近)说明反应产物中有碳，且id/ig为0.78，说明反应得到的纳米碳结晶度更高。得到的扫描电镜图参见图7，所得碳形成呈片层状，且厚度为30nm左右，实施例1制备得到的纳米碳呈球形、烟灰状居多，图7中得到了片状的纳米碳，结晶效果更好，且纳米碳的尺寸降低，这能满足了本方法要制备纳米碳的制备要求。

实施例3：

本实施例与实施例1不同的是：按质量百分比计，原料中内掺催化剂草酸亚铁的量为0.25％，原料中聚氯乙烯为83.79％，原料中mg粉为15.96％，草酸亚铁、聚氯乙烯和mg粉的质量百分比之和为100％。

对实施例3制备的纳米碳进行x衍射分析及拉曼光谱分析，参见图8、9说明实施例3制备的纳米碳中有结晶态碳，且结晶度较好，有少量氯化镁剩余，本实施例制备的纳米碳的电镜图见图10，与实施例2制备得到的纳米碳相比，图10中得到的纳米碳呈球形状，且团聚较严重，得到的碳球尺寸较图7要大，综合分析，草酸亚铁的使用效果不如二茂铁。