长径比可调、具有介孔中空结构的纳米碳材料的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种长径比可调节、具有介孔中空结构纳米碳材料的大规模制备方法，具体地，是利用真空感应炉大规模制备具有介孔中空结构纳米碳材料，是属于低维纳米材料的制备技术领域。
【背景技术】
[0002]能源短缺和环境污染与经济发展间的矛盾日益尖锐，使其成为制约我国经济社会发展的瓶颈。因此，开发新型储能材料和吸附材料备受国家和科研工作者的关注。中空碳纳米材料集碳材料、纳米材料和独特的空间结构等优势于一身，呈现出特殊的光学、电学、催化性质、相转变和粒子输运等特性，导致其广泛地应用于超级电容器、水处理、锂离子电池、光化学电池和催化剂等方面。具有介孔中空结构纳米碳材料在气体吸附、催化剂载体等应用领域更胜一筹，也更容易进行表面修饰以进一步功能化。因此，对具有介孔中空结构纳米碳材料的大量、可控、高纯制备技术的研发显得非常重要。
[0003]目前，已报道的制备具有介孔中空结构纳米碳材料的方法主要有电弧放电、化学气相沉积、热分解有机物溶剂法等等；但是这些方法都存在产量低，能耗高、设备复杂、必须外加催化剂、必须后处理、长径比不可调等复杂问题。未见使用简单设备、高效、大规模、一步制备长径比可调节、具有介孔中空结构纳米碳材料的报道。
【发明内容】
[0004]针对目前具有介孔中空结构纳米碳材料材料制备过程中存在的问题，本发明的目的在于，提供一种长径比可调孔，直接大规模制备具有介孔中空结构纳米碳材料材料的制备技术；该方法包括以下步骤:
[0005](I)将聚四氟乙烯粉末与催化剂按一定质量比例混合；其中催化剂与聚四氟乙烯的质量比为1:(8.0-9.5);
[0006](2)往步骤(I)的混合粉末中加入一定体积的无水乙醇，无水乙醇与(I)粉末的体积比为(1-3):1，得到料浆I;
[0007](3)将步骤⑵的料浆I倒入球磨罐中，球料质量比(2-6):1，球磨2-10小时，得到料浆2 ;
[0008](4)将步骤(3)球磨后的料浆2过滤，并在60?90°C之间干燥5?12小时，得到干燥粉体；
[0009](5)将步骤(4)中干燥后的粉体置入石墨坩祸中，并放进真空感应炉中，真空状态下，使用5-80千瓦功率加热保温5-30分钟后，制得具有介孔中空结构的纳米碳材料。
[0010]由图1中的拉曼光谱分析I (a)，和氮气吸附脱附结果I (b)，结果可以看出，制备出的产品为具有介孔中空结构的纳米碳材料。
[0011]在上述步骤(3)中，球磨机转速为300r/min ;上述步骤(5)中，真空度为0.01兆帕。
[0012]本发明的优点和积极效果是:制备方法和制备步骤非常简单，制备过程中的工艺参数容易控制，一步合成，可实现大量制备；
【附图说明】
[0013]图1为制备的具有介孔中空结构纳米碳材料典型的拉曼光谱分析I(a)，和氮气吸附脱附图1(b)。
[0014]图2为8千瓦感应加热时，具有介孔中空结构纳米碳材料的表面形貌示意图。
[0015]图3为30千瓦感应加热时，具有介孔中空结构纳米碳材料的表面形貌示意图。
[0016]图4为60千瓦感应加热时，具有介孔中空结构纳米碳材料(碳纳米空心球)的表面形貌示意图。
[0017]图5为具有介孔中空结构纳米碳材料典型的高分辨透射电镜示意图。5(a)为管状介孔中空结构纳米碳材料；5(b)为球形介孔中空结构纳米碳材料
【具体实施方式】
[0018]下面结合实施例进一步说明本发明
[0019]实施例1
[0020]本实施例中，所采用的催化剂为分析纯，聚四氟乙烯为微粉。
[0021]1、配制原料
[0022]准确称量一定量的催化剂和聚四氟乙烯微粉，使催化剂和聚四氟乙烯微粉质量比为 1:9.2o
[0023]2、球磨预处理
[0024]将上述I中原料倒入球磨罐中，加入一定量的氧化错球，使球料质量比为5:1，再加入一定量的无水乙醇，使无水乙醇与球料的体积比为2:1，设定球磨机转速300转/分钟，球磨8小时后用滤网过滤出氧化错球；
[0025]3、烘干处理
[0026]将上述2中的原料放入烘箱中，70度干燥10小时
[0027]4、中频感应制备具有介孔中空结构纳米碳材料
[0028]将上述3中的原料，装入石墨坩祸中，并放置在真空感应炉中，抽真空至0.0lMpa,8千瓦功率加热10分钟，保温20分钟，然后自然降温至室温；取出黑色粉末，即制得具有介孔中空结构纳米碳材料(管状)，其典型的形貌如图2，图5。直径30-120纳米，长度10-20微米。
[0029]实施例2
[0030]准确称量一定量的催化剂和聚四氟乙烯微粉，使催化剂和聚四氟乙烯微粉质量比为1:6.0，其余步骤同实施例1，同样也得到尺寸和形貌类似的具有介孔中空结构纳米碳材料(管状)。
[0031]实施例3
[0032]将实施例1，经过步骤3处理后的原料，装入石墨坩祸中，并放置在真空感应炉中，抽真空至0.0lMpa, 30千瓦功率加热6分钟，保温20分钟，然后自然降温至室温；取出黑色粉末，即制得具有介孔中空结构纳米碳材料(管状)，其典型的形貌如图3，直径30-120纳米，长度1-2微米。
[0033]实施例4
[0034]将实施例1，经过步骤3处理后的原料，装入石墨坩祸中，并放置在真空感应炉中，抽真空至0.0lMpa,60千瓦功率加热4分钟，保温20分钟，然后自然降温至室温；取出黑色粉末，即制得具有介孔中空结构纳米碳材料(空心球形)，其典型的形貌如图4，直径60-120纳米。
[0035]从以上4个实施例可以看出，只要在制备过程中使得各种参数，如配制原料配比、功率和时间保持在一定范围内，就可以可控大量制备具有介孔中空结构纳米碳材料。在具体实施过程中，本领域的技术人员都能按照原料的配比范围以及中频感应加热时的工艺参数范围进行具体的实施，不以本发明所给出的上述四个实施例为限。
[0036]以上通过四个实施例对本发明进行了详细的描述，本领域的技术人员应当理解，在不超过本发明精神和实质范围内，本本发明做出一定的修改和变形，比如采用不同的功率和升温及保温时间等不同工艺参数，仍能实现本发明所述之结果，而不脱离本发明的保护范围。
【主权项】
1.一种长径比可调、具有介孔中空结构的纳米碳材料的制备方法，其特征在于具体制备步骤是: (1)将聚四氟乙烯粉末与催化剂按一定质量比例混合；其中催化剂与聚四氟乙烯的质量比为 1:(8.0-9.5)； (2)往步骤(I)中加入一定体积的无水乙醇，无水乙醇与混合粉末的体积比为(1-3):I，得到料浆I ; (3)将步骤⑵的料浆I倒入球磨罐中，球料质量比(2-6):1，球磨2-10小时，得到料浆2 ; (4)将步骤(3)球磨后的料浆2过滤，并在60?90°C之间干燥5?12小时，得到干燥粉体； (5)将步骤(4)中干燥后的粉体置入石墨坩祸中，并放进真空感应炉中，真空状态下，使用5-80千瓦功率加热保温5-30分钟后，制得具有介孔中空结构的纳米碳材料。2.根据权利要求1所述一种长径比可调、具有介孔中空结构的纳米碳材料的制备方法，其特征是:在步骤(3)中，球磨机转速为300r/min ;步骤(5)中，真空度为0.01兆帕。
【专利摘要】一种长径比可调节、具有介孔中空结构纳米碳材料的制备方法，属于低维纳米材料的制备技术领域。具体制备步骤是：将聚四氟乙烯粉末与催化剂按1：(8.0-9.5)比例混合；加入一定体积的无水乙醇，得到料浆1；将料浆1倒入球磨罐中，球磨2-10小时，得到料浆2；将球磨后的料浆2过滤，并在60～90℃之间干燥5～12小时，得到干燥粉体；将干燥后的粉体置入石墨坩埚中，并放进真空感应炉中，真空状态下，使用5-80千瓦功率加热保温5-30分钟后，制得具有介孔中空结构的纳米碳材料。本发明制备方法和制备步骤非常简单，制备过程中的工艺参数容易控制，一步合成，可实现大量制备。
【IPC分类】C01B31/02, B82Y30/00
【公开号】CN105036112
【申请号】CN201510441348
【发明人】夏敏, 燕青芝, 葛昌纯
【申请人】北京科技大学
【公开日】2015年11月11日
【申请日】2015年7月24日