专利名称：制备碳纳米笼的方法
技术领域：
本发明涉及碳纳米材料，且更具体地说，涉及制备碳纳米笼的方法。
背景技术：
自从Kroto在1985年发现富勒烯及Iijima在1991发现碳纳米管以来，人们对小碳簇产生了兴趣。
碳纳米笼为由若干石墨层组成的多面碳簇且其具有同心球(aball-within-a ball)的结构。碳纳米笼具有特殊的富勒烯结构和光电子特性。这种碳纳米笼可用于各种领域，例如医药(药用级活性炭)、光和热吸收剂、电磁屏蔽材料、有机发光材料、太阳能吸收剂、催化剂、传感器、锂电池碳极、具有优越的热导率和特殊电性能的纳米级复合材料、印刷用纳米级碳粉等。
然而，大量生产高纯度碳纳米笼的方法还未见报道。虽然可以使用传统技术，例如碳弧技术、超声处理、高能辐射、富勒烯黑(fullerene black)的热处理和等离子体喷枪法，获得碳纳米笼，但是产物产率低且副产物多，这些副产物例如碳纳米管、碳纤维和无定形碳。
催化化学气相沉积(CVD)被认为是以低成本大量生产碳纳米材料的最有效的方法。与其他方法相比较，该方法具有优异的可控性。
使用价廉、无毒、低能碳源是合成化学家长久以来追求的目标。
美国专利6,063,243号公开了一种方法，该方法可以制备作为主要成分的碳纳米管和作为副产物的纳米颗粒。在本发明中，需要直流电以进行电弧放电。德国专利19740389号使用带有激光束的催化沉积法，以制备碳纳米纤维、碳纳米颗粒和富勒烯。该方法成本高且产物产率低。此外，难以对该方法获得的产物进行提纯。
发明内容
本发明提供了一种能够大量合成高纯度碳纳米笼的简单方法。在本文中，术语“碳纳米笼”指由若干石墨层组成的多面颗粒且在其表面上具有至少一个孔洞。
根据本发明的一个方面，提供了一种制备碳纳米笼的方法，该方法包括将惰性气体引入装配有喷嘴的反应器中；升高反应器温度至催化剂化合物的热解温度；并通过喷嘴，将包括催化剂化合物的反应物和含碳化合物一起喷入反应器中，其中惰性气体的空间速度与反应材料的空间速度的比为100或更高。
通过参照附图对本发明的示例性实施方式进行详细描述，本发明的上述及其他特性和优势将变得更为明晰，其中图1为本发明的一个实施例中所使用的装置示意图；图2为本发明的一个实施例中获得的碳纳米笼的透射电子显微镜(TEM)照片；和图3为本发明的一个实施例中获得的碳纳米笼的高分辨率TEM照片。
具体实施例方式
在下文中，将根据本发明的一个实施方式对制备碳纳米笼的方法进行详细描述。
本发明的一个实施方式的制备碳纳米笼的方法包括将惰性气体引入装配有喷嘴的反应器中；升高反应器温度至催化剂化合物的热解温度；并通过喷嘴，将包括催化剂化合物的反应物和含碳化合物一起喷入反应器中，其中惰性气体的空间速度与反应物的空间速度的比为100或更高。
在本实施方式的方法中，由于通过喷嘴，将包括催化剂化合物的反应物和含碳化合物一起供给到反应器中，催化剂的生产和碳的生产同时发生，因此，可以快速完成碳纳米材料的形成。结果，纳米笼型的碳结构而不是碳纳米管被选择作为主要产物。而且，由于核的生长和碳结构的生长同时发生，因此，获得的碳纳米笼具有均一结构。此外，在反应器内，通过保持惰性气体的空间速度与反应物的空间速度的比为100或更高，可以获得适于选择形成碳纳米笼的惰性气体和反应物的混合物中的碳浓度。因而，本实施方式的制备碳纳米笼的方法可以具有优异的再现性，且因此可以容易地用于大量生产。
在本文中，术语“惰性气体的空间速度”指惰性气体流速除以反应器体积所得的数值，术语“反应物的空间速度”指反应物流速除以反应器体积所得的数值。术语“惰性气体的空间速度与反应物的空间速度的比”指惰性气体的空间速度除以反应物的空间速度所得的数值。
由于与反应物的空间速度相比，惰性气体具有较高的空间速度，因而其起到载体的作用。因此，惰性气体和反应物的混合物在反应器中的停留时间取决于惰性气体的空间速度。
本发明人发现，在反应器内通过保持惰性气体的空间速度与反应物的空间速度的比值在100或更高，可以对惰性气体和反应材料的混合物中的碳浓度进行调节，该碳浓度适于选择形成碳纳米笼。
不需要限定惰性气体的空间速度与反应物的空间速度的比值。然而，如果该比值过高，则不发生碳化，从而无法形成纳米笼结构。考虑到这一问题，该比值一般为25,000或更低。
用于本实施方式的方法的反应器喷嘴是将溶液状或分散态反应物供给进反应器的入口。在该反应器中，不限定喷嘴的安装位置。例如，喷嘴可以安装在反应器上部、中部或下部。喷嘴可以具有适于喷洒反应物的任何形状。
用于本实施方式的方法的反应物包括催化剂化合物和含碳化合物，且该反应物具有能够通过喷嘴进行喷洒的溶液状或分散态。可选择地，反应物可以以气体混合物的形式供应进反应器中。
催化剂化合物可以为含有金属的化合物，其中该金属例如Fe、Co、Ni等。这种含金属化合物在反应器进行热分解以形成金属颗粒。该获得的金属颗粒作为含碳化合物热解和形成碳纳米笼的催化剂。该催化剂化合物的实例包括含金属的羰基化合物、茂金属等。该含金属的羰基化合物的实例包括羰基铁、羰基镍、羰基钴及其混合物。
含碳化合物是可以通过热解转化为碳的材料。含碳化合物与催化剂一起喷洒进反应器中，然后很容易地进行气化以发生催化热分解。在反应器中，该催化剂对含碳化合物进行分解，从而将其转化为碳。该获得的碳在催化剂周围结晶，从而形成纳米结构。通过这些步骤形成的碳纳米结构主要为碳纳米笼型。该含碳化合物的实例包括甲醇、乙醇、丙酮或其混合物。
当反应材料含有液体含碳化合物时，反应物具有溶液状或分散态，通过对催化剂化合物和含碳化合物进行简单混合，可以将具有这些状态的反应物经喷嘴喷洒进反应器中。
如果反应物中催化剂化合物的量太低，则不发生碳的分解，从而不能形成纳米结构。如果催化剂化合物的量太高，则可以形成除纳米笼以外的其他结构。考虑到这一问题，基于100体积份的含碳化合物，反应物中催化剂化合物的量一般为约10-50体积份，且优选为约10-30体积份，更优选为约15-25体积份。
在本实施方式中，引入反应器中的惰性气体的实例包括氦气、氖气、氩气、氙气、氮气或其混合物。由于将惰性气体引入反应器中，可以防止反应物和所获得的碳发生不希望的氧化，且在反应器中反应混合物的流速增加。因而，获得的碳纳米结构的停留时间缩短，可以选择形成碳纳米笼。
惰性气体可以不连续地或连续地引入反应器中。惰性气体可以通过喷嘴引入反应器中。可选择地，反应器可以具有独立的用以引入惰性气体的进气口。当惰性气体连续地引入反应器中时，如果惰性气体的流速太低，由于获得的碳纳米结构在反应器中的停留时间长，该获得的碳纳米结构可以转变为管状。如果惰性气体的流速太高，由于反应时间很短，碳还未进行有效分解，因而，不能形成碳纳米结构。因此，可以设置惰性气体的流速，使惰性气体的空间速度(其为惰性气体流速除以反应器体积所得的值)一般为约20-300h-1，且优选为约24-260h-1，更优选为约32-240h-1。
在本实施方式中，把反应器的内部温度控制在所用反应物可以发生分解的温度范围内。根据所用反应物的成分，可以适当地选择反应器的内部温度。如果反应器的内部温度太低，不发生反应物的热解。如果反应器的内部温度太高，由于快速碳化反应，可以形成纳米管型的碳纳米结构。反应器的内部温度一般为约500-1000℃，且优选为约550-950℃，更优选为约600-900℃。
当反应物通过喷嘴喷洒进具有上述温度的反应器内时，喷洒具有溶液状或分散态的反应物，然后反应物中的挥发成分很容易地发生挥发且反应物中的可热解成分发生热分解。
反应物可以不连续地或连续地供给进反应器中。即使当反应物连续供给进反应器中时，也不限定反应物的供给速度。然而，如果反应物的供给速度太低，由于催化剂只分解了很少量的反应物，因而不能形成纳米笼。如果反应物的供给速度太高，由于还有反应物没有被催化剂分解而保留下来，因而可以使碳纳米笼的纯度降低。一般地，可以设置反应物的供给速度，使反应物的空间速度(其为反应物流速除以反应器体积所得的值)优选为约0.012-0.2h-1。
在反应物中作为催化成分的催化金属化合物，通过分解变为催化金属颗粒。该催化金属颗粒加速了含碳化合物的热解，该含碳化合物用作碳源和用以诱导形成碳纳米笼的核。
在惰性气体中，该含碳化合物由催化金属颗粒进行分解。然后，获得的碳层叠在催化金属纳米颗粒上或引入催化金属纳米颗粒中以形成石墨层。
当反应物中所含催化成分为催化金属粉末或催化金属前体时，该催化金属颗粒可以插入所得的碳纳米笼中。例如，该催化金属颗粒可以存在于碳纳米笼颗粒内或在碳纳米笼颗粒之间。如果催化金属颗粒的存在对碳纳米笼没有不利影响，则含有催化金属颗粒的碳纳米笼粉末可以用作最终产物。
在本发明的另一个实施方式中，制备碳纳米笼的方法还可以包括以酸性溶液处理含有催化金属颗粒的碳纳米笼，以去除催化金属颗粒。
该酸性溶液可以含有能够溶解催化金属颗粒而不改变碳纳米笼结构的任何酸性成分。该酸性溶液可以为纯硝酸、硝酸水溶液、硫酸、硫酸水溶液、盐酸或其混合物。
使用酸性溶液对含有催化金属颗粒的碳纳米笼的处理，可以通过将含有催化金属颗粒的碳纳米笼浸入酸性溶液中而实现。对含有催化金属颗粒的碳纳米笼和酸性溶液的混合物进行搅拌，以加强处理的效果。搅拌可以通过普通搅拌方法进行，例如旋转搅拌器、超声波振荡器、机械混合器、均化器等。
可以提高酸性溶液的温度以增强去除金属颗粒的速度。可以根据所用的酸性溶液的成分来适当地选择温度。例如，当使用纯硝酸时，该温度可以为约50-150℃。
不具体限定使用酸性溶液对含有催化金属颗粒的碳纳米笼进行处理的时间，只要能够有效去除催化金属颗粒即可。一般地说，处理时间可以为约1-5小时。
参考下列实施例将对本发明进行更详细的描述。下列实施例仅用以对本发明进行说明，而不是对本发明范围的限定。
实施例图1以示意图说明了在本实施例中所使用的装置。图1的装置包括反应物储罐1、电子蠕动泵2、气体流量计3、喷嘴4、电炉5、反应器6、产物收集器7和排气过滤器8。反应物储罐1与电子蠕动泵2相连。反应器6为石英管并垂直排列。
电子蠕动泵2控制反应物的喷洒速率。气体流量计3与反应物储罐1和电子蠕动泵2相连。惰性气体通过气体流量计3供给到喷嘴4。喷嘴4将反应物和惰性气体的混合物喷洒进反应器6中。从而，反应物储罐1、电子蠕动泵2、气体流量计3和喷嘴4构成“反应物供给部分”。
喷嘴4位于反应器6的上部。反应器6安装在电炉5中，反应器为垂直排列。产物收集器7位于电炉5的下面。排气过滤器8安装在产物收集器7的下面。反应器6为直径30mm、长700mm的石英管。
在本实施例中，羰基铁和乙醇的混合物(体积比1∶5)作为反应物，氮气为惰性气体。在以16L/h的流速将氮气供给进反应器6的同时，使用电炉5将反应器6的内部温度加热到650℃。反应物通过电子蠕动泵2以6mL/h的流速供给进反应器6中，反应器6保持650℃的温度。在通过喷嘴4的过程中，反应物和氮气得以混合。含催化金属颗粒的碳纳米笼粗制品从产物收集器7中获得。
获得的粗制品浸入纯硝酸中。将溶液加热到100℃，同时以超声波振荡1小时。此时，水循环以进行冷却和回流。然后，以蒸馏水对该溶液进行逐渐稀释，以近似地达到中性pH。最后，对该溶液进行过滤和干燥。从而，获得碳纳米笼的提纯产物。
图2为在本实施例中所得到的碳纳米笼提纯产物的TEM照片。图3为在本实施例中所得到的碳纳米笼的高分辨率TEM照片。
参考图2和3，在本实施例中所得到的碳纳米笼具有40nm的相对均一的直径和10-20个石墨层。
根据本发明的方法，使高纯度碳纳米笼的大量生产成为可能。在本发明的方法中，由于催化剂没有载体，因而，方法简单且粗制品的提纯简单方便。此外，由于可以使用除氢气以外的惰性气体，可以降低能量消耗且可以提高生产方法的安全性。此外，基于该综合喷嘴的使用，本发明使用的装置可以很容易地实现小型化且易于操作。由于催化剂和碳源可以连续地供给且产物可以从反应器中排出，因而能够实现整个方法的连续性。由于喷嘴的使用，使得碳纳米笼的结构均一。
虽然已经参考本发明的示例性实施方式，对本发明进行了具体的展示和描述，但本领域普通技术人员应当理解，不脱离由权利要求所限定的本发明的精神和范围，可以对本发明的形式和细节进行各种改变。
权利要求
1.一种制备碳纳米笼的方法，该方法包括将惰性气体引入装配有喷嘴的反应器中；升高反应器温度至催化剂化合物的热解温度；和通过喷嘴，将包括催化剂化合物的反应物和含碳化合物一起喷入反应器中，其中惰性气体的空间速度与反应物的空间速度的比为100或更高。
2.权利要求1的方法，其中惰性气体为氦气、氖气、氩气、氙气、氮气或其混合物。
3.权利要求1的方法，其中惰性气体的空间速度为20-300h-1。
4.权利要求1的方法，其中反应器温度为500-1000℃。
5.权利要求1的方法，其中基于100体积份的含碳化合物，反应物中的催化剂化合物的量为10-50体积份。
6.权利要求1的方法，其中催化剂化合物为含金属的羰基化合物、茂金属或其混合物。
7.权利要求1的方法，其中含碳化合物为甲醇、乙醇、丙酮或其混合物。
8.权利要求1的方法，其中反应材料的空间速度为0.012-0.2h-1。
全文摘要
提供了一种能够大量生产高纯度碳纳米笼的简单方法。制备碳纳米笼的方法包括将惰性气体引入装配有喷嘴的反应器中；升高反应器温度至催化剂化合物的热解温度；并通过喷嘴，将包括催化剂化合物的反应物和含碳化合物一起喷入反应器中，其中惰性气体的空间速度与反应物的空间速度的比为100或更高。
文档编号B82B3/00GK1751989SQ20051006282
公开日2006年3月29日 申请日期2005年3月31日 优先权日2004年9月20日
发明者朴灿镐, 张赫, 王健农 申请人:三星Sdi株式会社