[发明专利]具有碳同素异形体的无种子颗粒

说明书

本发明涉及具有碳同素异形体的无种子颗粒。公开了具有碳聚集体的碳材料，其中所述聚集体包含碳纳米颗粒但不包含种子颗粒。在各种实施方案中，所述纳米颗粒包含石墨烯，任选地具有多壁球形富勒烯和/或另一种碳同素异形体。在各种实施方案中，所述纳米颗粒和所述聚集体具有以下的不同组合：具有2D模式峰和G模式峰并且2D/G强度比率大于0.5的拉曼光谱、低浓度的元素杂质、高Brunauer‑Emmett和Teller(BET)表面积、大粒度和/或高电导率。提供了生产所述碳材料的方法。

本申请是申请号为201880011199.4、申请日为2018年01月29 日、最早的优先权日为2017年02月9日、发明名称为“具有碳同素 异形体的无种子颗粒”的专利申请的分案申请。

相关申请

本申请要求2017年9月21日提交的美国专利申请号15/711,620 的优先权，所述申请是2017年8月14日提交的美国专利申请号 15/676,649的部分继续申请，所述申请是2017年2月9日提交的美 国专利申请号15/428,474的继续申请并且作为美国专利号9,767,992公布；所有这些申请都通过引用整体并入本文。

背景技术

含有石墨和石墨烯的碳颗粒被用于从汽车轮胎添加剂到润滑剂、 到电子器件材料的宽范围的应用。使其能够在如此宽泛的应用中使用 的一些性质是高表面积与高电导率和热导率。

天然存在的石墨烯和石墨材料被开采和处理以在不同的应用中 使用。天然存在的石墨和石墨烯材料包含高浓度的杂质，并且纯化天 然存在的石墨和石墨烯以获得更高纯度的材料是困难且成本高昂的。

各种粗制或精制烃(例如甲烷、乙烷、丙烷等)也可以被热解或裂 化以产生更高阶的碳物质(诸如石墨烯和富勒烯)以及氢气。然而，用 于生产更高阶的碳物质的过程中的一些需要使用催化剂(诸如金属催 化剂)，因而导致更高阶的碳物质中存在杂质。此外，一些过程需要 形成“种子”或“核”，在所述“种子”或“核”周围形成更高阶的碳物质。 另外，这些热解或裂化过程中的一些产生非常小(例如，直径小于100 nm)的颗粒，因而难以收集且花费高昂。

更高阶的碳同素异形体的一些实例在图1A至图1D中示出。图 1A示出石墨的示意图，其中碳形成二维原子级六方晶格的多个层， 其中一个原子形成每个顶点。石墨由单层石墨烯制成。图1B示出碳 纳米管的示意图，其中碳原子形成弯曲成圆柱体的六方晶格。碳纳米 管也可称为圆柱形富勒烯。图1C示出C60巴克明斯特富勒烯的示意 图，其中单层六方晶格碳原子形成球形。存在其他球形富勒烯，其包 含单层六方晶格碳原子，并且可含有60个原子、70个原子或多于70 个原子。图1D示出来自美国专利号6,599,492的碳纳米洋葱的示意 图，所述碳纳米洋葱包含球形富勒烯的多个同心层。

发明内容

在一些实施方案中，碳材料包含多个碳聚集体，每个碳聚集体具 有多个碳纳米颗粒，每个碳纳米颗粒包含石墨烯，没有种子颗粒。所 述碳材料中的所述石墨烯具有高达15层。所述碳聚集体中碳与除氢 外的其他元素的比率大于99％。所述碳聚集体的中值粒度为1至50 微米。当使用Brunauer-Emmett-Teller(BET)方法以氮气作为吸附质测 量时，所述碳聚集体的表面积为至少50m²/g。当被压缩时，所述碳 聚集体的电导率大于500S/m。

在一些实施方案中，碳材料包含多个碳聚集体，每个碳聚集体具 有多个碳纳米颗粒，每个碳纳米颗粒包含石墨烯和多壁球形富勒烯， 没有种子颗粒。所述碳材料中的所述石墨烯具有高达15层。使用532 nm入射光的包含多壁球形富勒烯的所述碳材料的拉曼光谱具有：D 模式峰；G模式峰；并且D/G强度比率小于1.2。所述碳聚集体中碳 与除氢外的其他元素的比率大于99％。所述碳聚集体的中值粒度为1 至100微米。当使用BET方法以氮气作为吸附质测量时，所述碳聚 集体的表面积为至少10m²/g。当被压缩时，所述碳聚集体的电导率 大于500S/m。