专利名称：铈盐纯化纳米金刚石粒子的方法
技术领域：
本发明涉及一种利用铈盐纯化纳米金刚石粒子的方法。
背景技术：
炸药爆炸方法合成的纳米金刚石粉是一个新品种，具有一系列特殊的性质，是一种值得注意的具有很大发展潜力的新材料。爆轰合成后产物是黑色固体物，其主要组成除金刚石粉外，还夹杂着纳米石墨和无定形碳以及少量的金属和其它杂质。采用强氧化性的酸处理，可将非金刚石碳除去，得到灰色纳米金刚石粉末。爆轰合成后产物的提纯不仅直接影响纳米金刚石粉的最终得率、纯度、表面特性，而且影响着UFD的成本和应用。据估计提纯费用通常占总成本的60％以上，这也是目前纳米金刚石粉价格较高的原因之一。
目前，常用的去除石墨的方法有HClO4酸洗氧化提纯法、H2SO4+KMnO4和H2SO4+K2Cr2O7氧化还原提纯法等强酸提纯方法。强酸提纯存在废酸和有毒气体的污染，HClO4还有爆炸的危险，而且成本较高。有研究报道采用稀硝酸高压提纯法(8～12MPa)，该方法建立了整套的酸蒸汽和气体收集回收利用系统、硝酸制取和再循环水处理系统，酸循环率达75％～80％，从经济和环保上都有很大改善，同时采用悬浮液的薄膜过滤与表面化学变态和深度清洗相配合，产出多种品质的产品。系统优点明显，但对设备有耐腐蚀，耐高压高温要求等，投资成本高。因此，寻找一种高效、经济、安全、污染小的提纯方法仍是纳米金刚石粉规模化生产中需要解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供利用铈盐纯化纳米金刚石粒子的方法，该方法通过利用铈盐与纳米碳粒子的氧化还原反应，可将非金刚石碳除去，得到灰色纳米金刚石粉末。
本发明的方法是将纳米碳粒子加入铈盐溶液中，于30～70℃下恒温振荡吸附24～48小时，离心分离纳米金刚石，用1～5％V/V的硫酸溶液洗涤纳米金刚石3～5次，再用去离子水洗涤至中性，在100～120℃真空干燥12～24小时，得到纳米金刚石粒子；所用的铈盐溶液浓度为10～100g/L，所用的纳米碳粒子和铈盐溶液的固液比为1∶100～1∶1000(W/V)。
所用的铈盐可以是是硝酸铈铵或硫酸铈铵。
上述本发明方法得到的纳米金刚石表面的功能团可采用红外光谱法或X射线光电子能谱法确定，晶体结构采用X-射线衍射法测定，粒径采用透射电子显微镜法测定，元素分析采用元素分析仪和X射线光电子能谱法测定。
本发明方法采用铈盐纯化法制备纳米金刚石，与目前通用的去除石墨的方法一酸洗氧化液相提纯法相比，不存在废酸和有毒气体的污染，是一种高效、经济、安全、污染小的提纯方法，故本发明具有广阔的应用前景。
以下通过实施例和附图对本发明作进一步说明。
图1是本发明方法得到的纳米金刚石粒子的透射电子显微镜照片；图2是纳米碳粒子和纳米金刚石粒子红外光谱图，其中a为硝酸纯化纳米金刚石粒子，b为铈盐纯化纳米金刚石粒子；图3～8是纳米碳粒子和纳米金刚石粒子X射线光电子能谱图；其中图3是纳米碳粒子的C1S分峰谱图，图4是纳米碳粒子的O1S分峰谱图，图5是硝酸纯化纳米金刚石粒子的C1S分峰谱图，图6是硝酸纯化纳米金刚石粒子的O1S分峰谱图，图7是铈盐纯化纳米金刚石粒子的C1S分峰谱图，图8是铈盐纯化纳米金刚石粒子的O1S分峰谱图；图9～11是纳米碳粒子和纳米金刚石粒子X射线衍射图；其中图9是纳米碳粒子的X-射线衍射图，图10是硝酸纯化纳米金刚石粒子的X-射线衍射图，图11是铈盐纯化纳米金刚石粒子的X-射线衍射图。
具体实施例方式
实施例1将100mg经真空恒重后的纳米碳粒子加入10ml 100g/ml的硫酸铈铵溶液中，于30℃下恒温振荡吸附24小时，离心分离纳米金刚石。用5％(V/V)的硫酸溶液洗涤纳米金刚石3次，再用去离子水洗涤至pH≈7。在100℃真空干燥24小时，得到纳米金刚石粒子。
上述方法制备的纳米金刚石粒子的粒径采用透射电子显微镜测定，其结果如图1所示。图1结果表明纳米金刚石粒子的粒径为4～6nm。
实施例2将100mg经真空恒重后的纳米碳粒子加入100ml 10g/ml的硝酸铈铵溶液中，于50℃下恒温振荡吸附24小时，离心分离纳米金刚石。用3％(V/V)的硫酸溶液洗涤纳米金刚石3次，再用去离子洗涤至pH≈7。在120℃真空干燥12小时，得到纳米金刚石粒子。
上述方法制备的纳米金刚石粒子表面的功能团采用红外光谱法测定，其结果如图2所示。图2结果显示，纳米碳粒子外观呈黑色，红外光谱结果为广谱吸收。硝酸纯化纳米金刚石粒子的红外光谱与铈盐纯化纳米金刚石粒子有微小的差别。
实施例3将100mg经真空恒重后的纳米碳粒子加入20ml 40g/ml的硫酸铈铵溶液中，于70℃下恒温振荡吸附24小时，离心分离纳米金刚石。用1％(V/V)的硫酸溶液洗涤纳米金刚石5次，再用去离子洗涤至pH≈7。在100℃真空干燥24小时，得到纳米金刚石粒子。
上述方法制备的纳米金刚石粒子表面的功能团采用采用X-射线光电子能谱仪，对O1S和C1S自动拟合分峰，可以得到纳米碳粒子(见图3，图4)、硝酸纯化纳米金刚石粒子(见图5，图6)和铈盐纯化纳米金刚石粒子(见图7，图8)的C1S分峰谱图和O1S分峰谱图，如图3～图8所示。铈盐纯化纳米金刚石粒子的XPS分析结果表明其中氧碳比为0.075，-OH、-C＝O、-COO-等基团的相对比例为41.96∶38.46∶19.58。与纳米碳粒子(其中氧碳比为0.04371，-OH、-C＝O、-COO-等基团的相对比例为50.00∶30.77∶19.23)和硝酸纯化纳米金刚石粒子(其中氧碳比为0.1371，-OH、-C＝O、-COO-等基团的相对比例为32.05∶48.72∶19.23)XPS分析结果不同。
实施例4将100mg经真空恒重后的纳米碳粒子加入40ml、25g/ml的硝酸铈铵溶液中，于30℃下恒温振荡吸附48小时，离心分离纳米金刚石。用2％的硫酸溶液洗涤纳米金刚石5次，再用去离子洗涤至pH≈7。在100℃真空干燥24小时，得到纳米金刚石粒子。
上述方法制备的纳米金刚石粒子的晶体结构采用X-射线衍射法测定，黑色纳米碳粒子与灰色纳米金刚石粉末的X-射线衍射仪(XRD)的结果如图9～图11所示。图9结果表明，纳米碳粒子在2θ＝26.34°、27.34°和44.12°处有较强的衍射强度，相对应的晶体晶面距分别为0.33807nm、0.32592nm和0.20509nm。图10结果表明，硝酸纯化纳米金刚石粒子在2θ＝43.36°处有较强的衍射强度，相对应的晶体晶面距为0.20850nm。图11结果表明，铈盐纯化纳米金刚石粒子在2θ＝43.56°处有较强的衍射强度，相对应的晶体晶面距为0.20759nm。上述结果表明铈盐纯化纳米金刚石粒子，铈离子的强氧化性可将非金刚石碳除去，得到较纯的灰色纳米金刚石粉末，并且和硝酸纯化纳米金刚石粒子具有相同的晶体结构。
实施例5将100mg经真空恒重后的纳米碳粒子加入60ml、15g/ml的硫酸铈铵溶液中，于30℃下恒温振荡吸附48小时，离心分离纳米金刚石。用5％的硫酸溶液洗涤纳米金刚石3次，再用去离子洗涤至pH≈7。在120℃真空干燥24小时，得到纳米金刚石粒子。
上述方法制备的纳米金刚石粒子的元素分析采用元素分析仪和X射线光电子能谱法测定。纳米碳粒子、硝酸纯化纳米金刚石粒子和铈盐纯化纳米金刚石粒子的的元素分析结果如表1所示。
表1.元素分析结果(wt，％)分析元素 N CH O纳米碳粒子3.031 88.231.527 7.212硝酸纯化纳米金刚石粒子2.085 86.261.187 10.47铈盐纯化纳米金刚石粒子2.008 86.381.778 9.824表1说明铈离子的强氧化性可将非金刚石碳除去，得到较纯的灰色纳米金刚石粉末，并且和硝酸纯化纳米金刚石粒子具有基本相同的成分。
实施例6将100mg经真空恒重后的纳米碳粒子加入90ml、10g/ml的硝酸铈铵溶液中，于30℃下恒温振荡吸附24小时，离心分离纳米金刚石。用5％的硫酸溶液洗涤纳米金刚石3次，再用去离子洗涤至pH≈7。在100℃真空干燥24小时，得到纳米金刚石粒子，称量，计算纳米金刚石得率，三份式样的纳米金刚石粒子的回收率平均值为71.24％。
权利要求
1.一种铈盐纯化纳米金刚石粒子的方法，其特征是将纳米碳粒子加入铈盐溶液中，于30～70℃下恒温振荡吸附24～48小时，离心分离纳米金刚石，用1～5％V/V的硫酸溶液洗涤纳米金刚石3～5次，再用去离子水洗涤至中性，在100～120℃真空干燥12～24小时，得到纳米金刚石粒子；所用的铈盐溶液浓度为10～100g/L，所用的纳米碳粒子和铈盐溶液的固液比为1∶100～1∶1000W/V。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征是所用的铈盐是硝酸铈铵或硫酸铈铵。
全文摘要
本发明涉及一种利用铈盐纯化纳米金刚石粒子的方法，是将一定量经真空恒重后的纳米碳粒子加入一定体积的铈盐溶液中，于30～70℃下恒温振荡吸附24～48小时，离心分离纳米金刚石，用1～5％V/V的硫酸溶液洗涤纳米金刚石3～5次，再用去离子水洗涤至中性，在100～120℃真空干燥12～24小时，得到纳米金刚石粒子。本发明通过选用硝酸铈铵或硫酸铈铵有效地纯化了纳米金刚石粒子。
文档编号B01J3/06GK1480252SQ03139849
公开日2004年3月10日 申请日期2003年7月18日 优先权日2003年7月18日
发明者曾汉民, 安小宁 申请人:中山大学