[发明专利]一种高度石墨化纳米碳材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及碳纳米材料和磁性金属纳米材料，特别是涉及一种粒径可控的高度石墨化碳包裹磁性金属纳米粒子、空心碳球以及多壁碳纳米管材料的制备方法。

背景技术

高度石墨化的碳材料，如碳球、碳纳米管、碳纤维等，由于其良好的电子、机械性能，化学惰性，生物相容性，正在被广泛地应用于工程、电子、化工、生物等领域。其中石墨化的空心碳球，在超电容、催化剂负载、药物缓释等方面有广阔的应用前景，而碳包裹的磁性金属粒子由于石墨外壳优异的物理化学性质，保护了其中活泼的磁性金属，在电磁学、光学性质的研究以及核磁共振成像等领域有着重要的应用。

迄今为止，科学家们探索了多种制备高石墨化碳材料的方法，如化学气相沉积(CVD)(Rodriguez，N.M.；Chambers，A.；Baker，R.T.K.Langmuir1995，11，3862)、电弧放电(Saito，Y.；Matsumoto，T.Nature 1998，392，237)、激光蒸发(Thess，A.；Lee，R.；Nikolaev，P.et al Science 1996，273，483)、溶剂热(Jiang，Y.；Wu，Y.；Zhang，S.Y.et al J.Am.Chem.Soc.2000，122，12383)等方法。但是这些方法一般都需要昂贵的特殊设备，以及大量的能源输入。尤其是制备碳包裹金属粒子和空心碳球的方法，主要采用CVD和电弧放电法，产物的粒径不易控制，且纯度较低，给进一步应用带来了限制。

近年来，微波辐射作为一种新颖的加热方法被人们广泛应用于有机合成中(Kappe，C.O.，Angew.Chem.Int.Ed.，2004，43，6250)。微波加热具有速度快、效率高、有选择加热和体系中温度均匀的特点(Galema，S.A.，1997，26，233)。有报道在CVD过程中用微波作为加热手段合成碳纳米管(Hong，E.H.，et al.，Advanced Functional Materials，2003，13，961)。Manohar等人利用导电聚合物吸收微波的特点，把预先合成好的各种形貌的导电聚合物在微波场中加热，得到了保持原有形貌的石墨化碳材料(Zhang，X.Y.and S.K.Manohar，Chemical Communications，2006，2477)。但是导电聚合物前体昂贵，形貌控制方法复杂，成本高。我们注意到具有铁磁性的金属、合金或氧化物，会强烈吸收微波(Toneguzzo，P.，et al.，Journal of Materials Science，2000，35，3767)，同时这些金属也是常用的成碳催化剂。在这一基础上，申请人开发出一种新颖的用微波加热制备粒径可控的高度石墨化碳包裹磁性金属纳米粒子、空心碳球以及多壁碳纳米管材料的方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种产率高、操作简单快速又能可控制备碳包裹磁性金属纳米粒子、空心碳球以及多壁碳纳米管材料的高效制备方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种高度石墨化纳米碳材料的制备方法，

1)将磁性金属或金属氧化物粒子与有机碳前驱材料均匀混合，混合物中磁性金属或金属氧化物粒子占总重量的10-80％；

2)将混合物放入微波炉中，微波处理3秒或3秒以上，微波功率300-3000W；磁性粒子强烈吸收微波升至高温，在高温下金属氧化物将被富碳的高分子还原为金属。同时富碳的有机分子在高温和金属粒子的催化下裂解成碳，即得到碳包裹磁性金属纳米粒子及多壁碳纳米管材料。

将混合物放入微波炉中加热，几秒钟达到红热即可得到最终产物，继续加热产物不变。当所加入的磁性粒子粒径大于20nm时，可以得到石墨碳包裹的磁性金属纳米粒子，其大小与加入的粒子相当，碳壁的厚薄在2-50nm，随着混合时高分子所占比例增加而增加。经适当的酸处理后，可以得到溶去金属的空心碳球。而当所加入的磁性粒子粒径小于20nm时，得到的产物是石墨碳包裹的磁性金属纳米粒子和多壁碳纳米管的混合物，两者重量大致相等。所得到的碳管直径与选用的磁性粒子粒径相当。

其中碳包裹的磁性金属纳米粒子经适当的酸处理后，可以得到溶去金属的空心碳球；所获得的碳包裹的磁性金属纳米粒子或多壁碳纳米管材料可采用PH＜2的酸溶液(如盐酸、硫酸或硝酸等)超声下处理；当处理时间低于1小时，可以得到溶去部份金属的带空隙的碳球，即剩余部分金属的碳球，调节酸的浓度和酸处理的时间，剩余金属的比例也可以调节；当处理时间为2小时以上，即可溶去95％以上的金属粒子，得到空心碳球。