CN101041431A - 一种氮和过渡金属元素掺杂的碳纳米颗粒的制备方法 - Google Patents
一种氮和过渡金属元素掺杂的碳纳米颗粒的制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN101041431A CN101041431A CN 200710056923 CN200710056923A CN101041431A CN 101041431 A CN101041431 A CN 101041431A CN 200710056923 CN200710056923 CN 200710056923 CN 200710056923 A CN200710056923 A CN 200710056923A CN 101041431 A CN101041431 A CN 101041431A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- nitrogen
- transition metal
- carbon nano
- discharge
- particle
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Images
Landscapes
- Carbon And Carbon Compounds (AREA)
- Catalysts (AREA)
Abstract
本发明涉及一种采用氮气氛电弧放电法制备氮和过渡金属元素掺杂的碳纳米颗粒的制备方法。本发明根据直流电弧放电法的原理，将石磨粉与过渡金属氧化物催化剂按质量百分比例95.5～80∶4.5～20混合均匀放置在阳极石墨棒中，然后将800－1000摄氏度的高温氮气通入放电室，向阳极和阴极两端施加30－100伏的直流电压，保持两电极间距离0.5－1毫米进行放电。本方法获得的碳纳米颗粒既不是实心的、也不是空心的，而是包含有许多弯弯曲曲的空隙或孔道，纳米颗粒整体犹如缠绕的线团，粒径范围在12－95纳米，收率在12.8－42.6％之间。
Description
技术领域
本发明属于纳米材料技术领域，特别涉及一种采用氮气氛电弧放电法制备氮和过渡金属元素掺杂的碳纳米颗粒的制备方法。
背景技术
采用不同的电弧放电方法可以获得形态各异的碳纳米颗粒，还可以获得碳包金属的碳纳米颗粒。碳纳米颗粒在聚合物基的气体传感器、电催化电极等领域有着重要的应用；碳包金属纳米颗粒则在电磁波吸收、磁性复合纳米材料、纳米催化剂等领域有着重要的应用。
采用氮气氛电弧放电法可以制备碳纳米管、氮化钛膜、碳氮化物、氮化铝纳米线等。采用高温氩气脉冲电弧可以制备双壁碳纳米管或单壁碳纳米管。采用高温氦气直流电弧放电也可制备单壁碳纳米管。
对美国化学文摘(Chemical Abstract)数据库和科学引文索引(Science Citation Index)数据库的检索结果表明，尚没有采用高温氮气直流电弧放电法制备含氮纳米材料的文献报道。对美国专利局数据库、欧洲专利局数据库、中国专利局数据库的检索结果表明，均没有类似于采用高温氮气直流电弧放电法制备含氮纳米材料的的专利申请。对上列数据库的检索结果还表明，也没有采用其它方法制备与本发明氮和过渡金属元素掺杂的、结构新颖的碳纳米颗粒相同结构的文献报道或专利申请。
发明内容
本发明提供一种在高温常压氮气氛直流电弧放电制备氮和过渡金属元素掺杂的、形貌新颖的碳纳米颗粒的方法，所得产物易于收集、保存、分离，团聚现象不是很严重。本发明的氮和过渡金属元素掺杂的、形貌新颖的碳纳米颗粒在吸波材料、磁性材料、燃料电池、非线性光学材料、储氢材料等领域会发挥重要的作用。
本发明根据直流电弧放电法的原理，其主要步骤为：
(1)将石墨粉与过渡金属氧化物催化剂按质量百分比例95.5～80∶4.5～20混合均匀；
(2)将上述混合物填入直流电弧放电装置的空心阳极石墨棒中；
(3)密封放电室，并借助真空泵用氮气抽洗置换放电室内的空气；
(4)将800-1000摄氏度的高温氮气通入放电室，再经过液封装置排出；
(5)向阳极和阴极两端施加30-100伏的直流电压，保持两电极间距离0.5-1毫米进行放电；
(6)收集放电室内的产物，阴极顶端柱状产物除外。
上述过渡金属氧化物催化剂为氧化铁、氧化钴、氧化镍中的任何一种或三种的组合，三种组合时各金属氧化物的质量百分比含量相等；上述密封放电室保持氮气压力为500-760毫米汞柱；上述高温氮气的流速控制在50-200毫升/分钟；上述放电时间控制在25-120秒。
本方法具有如下优点：
(1)碳纳米颗粒结构新颖，其独特之处在于这些碳纳米颗粒既不是实心的、也不是空心的，而是包含有许多弯弯曲曲的空隙或孔道，纳米颗粒整体犹如缠绕的线团，见图2；
(2)碳纳米颗粒产物产物的粒径范围在12-95纳米；
(3)其收率在12.8-42.6％之间；
(4)金属元素是以碳化物和氮化物，且高度分散的形式存在于碳纳米颗粒中；
(5)碳纳米颗粒产物不论在蒸馏水还是在有机溶剂中，均可形成稳定的悬浮液，见图13；
(6)碳纳米颗粒产物在蒸馏水中形成的悬浮液的电导率明显提高，而且这种增强作用随着温度的升高更加明显，见图14。
附图说明
图1实施例1中的产物的透射电镜照片
图2实施例1中的产物的高分辨透射电镜照片
图3实施例2中的产物的透射电镜照片
图4实施例3中的产物的透射电镜照片
图5实施例4中的产物的透射电镜照片
图6实施例5中的产物的透射电镜照片
图7实施例6中的产物的透射电镜照片
图8实施例7中的产物的透射电镜照片
图9实施例8中的产物的透射电镜照片
图10对比例1中的产物的透射电镜照片
图11对比例2中的产物的透射电镜照片
图12对比例3中的产物的透射电镜照片
图13从左至右分别为本发明的碳纳米颗粒产物与乙醇、丙酮、蒸馏水形成的悬浮液经超声波振荡30分钟后，室温下放置了7天后的效果图；
附图14从左至右分别为石墨粉(≥300目)与乙醇、丙酮、蒸馏水形成的悬浮液经超声波振荡30分钟后，室温下放置了7天后的效果图；
附图15温度对本发明产物碳纳米颗粒在蒸馏水中形成的悬浮液电导率的影响曲线；其中，■代表本发明的碳纳米颗粒在蒸馏水中形成的悬浮液；◆代表蒸馏水。
具体实施方式
实施例1
直流电弧放电装置的空心阳极石墨棒的外径为6毫米，内径为4毫米，其中空心部分填有石墨粉与过渡金属氧化物催化剂的混合物，混合物中过渡金属氧化物催化剂为氧化铁、氧化钴、氧化镍，其质量百分比含量各为1.5％；实心阴极石墨棒的外径为15毫米。
放电过程中所通氮气温度为800摄氏度、流速为50毫升/分钟，放电室压力为常压，放电电压30-40伏(初始放电电压44伏)，放电电流25-55安培，两电极间距0.5-1毫米，放电时间120秒，氮和过渡金属元素掺杂的、结构新颖的碳纳米颗粒收率约16.6％，其颗粒尺寸范围在26-95纳米之间，见图1；其结构新颖、独特之处在于这些碳纳米颗粒既不是实心的、也不是空心的，而是包含有许多弯弯曲曲的空隙或孔道，纳米颗粒整体犹如缠绕的线团，见附图2。能谱分析结果显示碳、氮、氧和过渡金属元素的原子百分比含量分别为73.2％、4.9％、20.3％和1.6％。
实施例2
氮气流速为100毫升每分钟，其它实验条件同实施例1，氮和过渡金属元素掺杂的、结构新颖的碳纳米颗粒收率约17.3％，其颗粒尺寸范围在20-89纳米之间，见图3。
实施例3
氮气流速为200毫升每分钟，其它实验条件同实施例1，氮和过渡金属元素掺杂的、结构新颖的碳纳米颗粒收率约12.0％，其颗粒尺寸范围在18-75纳米之间，见图4。
实施例4
氮气流速为100毫升每分钟，过渡金属氧化物催化剂的质量百分比含量为10％，其它实验条件同实施例1，氮和过渡金属元素掺杂的、结构新颖的碳纳米颗粒收率约42.6％，其颗粒尺寸范围在20-44纳米之间，见图5。
实施例5
氮气流速为100毫升每分钟，过渡金属氧化物催化剂的质量百分比含量为20％，其它实验条件同实施例1，纳米颗粒收率约23.6％，但却不是以氮和过渡金属元素掺杂的、结构新颖的碳纳米颗粒为主，而是以氮元素掺杂的、碳包金属纳米颗粒为主，其颗粒尺寸范围在22-82纳米之间，见图6。
实施例6
氮气流速为100毫升每分钟，放电室压力为500毫米汞柱，其它实验条件同实施例1，氮和过渡金属元素掺杂的、结构新颖的碳纳米颗粒收率约12.8％，其颗粒尺寸范围在12-122纳米之间，但包含了一些碳包金属纳米颗粒，见图7，能谱分析结果显示氮含量达到原子百分比8.6％。
实施例7
氮气温度为1000℃、流速为100毫升每分钟，其它实验条件同实施例1，氮和过渡金属元素掺杂的、结构新颖的碳纳米颗粒收率约29.0％，其颗粒尺寸范围在27-84纳米之间，且颗粒尺寸分布较均匀，见附图8。
实施例8
氮气温度为1000℃、流速为100毫升每分钟，放电电压45-50伏(初始电压72伏)，放电电流80-100安培，两电极间距1-2毫米，放电时间25秒，氮和过渡金属元素掺杂的、结构新颖的碳纳米颗粒收率约26.0％，其颗粒尺寸范围在20-50纳米之间，见图9。
对比例1
氮气温度为800℃、流速为100毫升/分钟，过渡金属氧化物催化剂的质量百分比含量为0％，其它实验条件同实施例1，氮元素掺杂的碳纳米颗粒收率约21.9％，但氮元素的掺杂量更低，且不具备本发明产物所述的微观结构特征，其颗粒尺寸范围在26-79纳米之间，见图10。
对比例2
氮气温度为室温、流速为0毫升每分钟，过渡金属氧化物催化剂的质量百分比含量为0％，其它实验条件同实施例1，碳纳米颗粒收率约21.9％，颗粒团聚现象很严重，其颗粒尺寸范围在26-79纳米之间，还有少量针状物，见图11。
对比例3
氩气温度为800℃、流速为100毫升每分钟，其它实验条件同实施例1，碳纳米颗粒收率约16.2％，但不具备本发明产物所述的微观结构特征，团聚现象也较严重，其颗粒尺寸范围约在20-81纳米之间，还含有少量一维产物，见图12。
Claims (7)
1、一种氮和过渡金属元素掺杂的碳纳米颗粒的制备方法，根据直流电弧放电法的原理，其主要步骤为：
(1)将石墨粉与过渡金属氧化物催化剂按质量百分比例95.5～80∶4.5～20混合均匀；
(2)将上述混合物填入直流电弧放电装置的空心阳极石墨棒中；
(3)密封放电室，并借助真空泵用氮气抽洗、置换放电室内的空气；
(4)将800-1000摄氏度的高温氮气通入放电室，再经过液封装置排出；
(5)向阳极和阴极两端施加30-100伏的直流电压，保持两电极间距离0.5-1毫米进行放电。
2、根据权利要求1所述一种氮和过渡金属元素掺杂的碳纳米颗粒的制备方法，其特征在于所述过渡金属氧化物为氧化铁、氧化钴、氧化镍中的任何一种或三种的组合。
3、根据权利要求2所述一种氮和过渡金属元素掺杂的碳纳米颗粒的制备方法，其特征在于所述三种过渡金属氧化物的质量百分比含量相等。
4、根据权利要求1至3所述任何一种氮和过渡金属元素掺杂的碳纳米颗粒的制备方法，其特征在于密封放电室保持氮气压力为500-760毫米汞柱。
5、根据权利要求1至3所述任何一种氮和过渡金属元素掺杂的碳纳米颗粒的制备方法，其特征在于高温氮气的流速控制在50-200毫升/分钟。
6、根据权利要求1至3所述任何一种氮和过渡金属元素掺杂的碳纳米颗粒的制备方法，其特征在于放电时间为25-120秒。
7、一种氮和过渡金属元素掺杂的碳纳米颗粒的制备方法，根据直流电弧放电法的原理，其主要步骤为：
(1)将石墨粉与过渡金属氧化物催化剂按质量百分比例90∶10混合均匀；
(2)将上述混合物填入直流电弧放电装置的空心阳极石墨棒中；
(3)密封放电室，并借助真空泵用氮气抽洗置换放电室内的空气；
(4)将800摄氏度的高温氮气以流速100毫升/每分钟通入放电室，再经过液封装置排出，放电室压力保持常压；
(5)向阳极和阴极两端施加44伏的直流电压，保持两电极间距离0.5-1毫米进行放电；
(6)收集放电室内的产物，阴极顶端柱状产物除外。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CNB2007100569239A CN100500559C (zh) | 2007-03-15 | 2007-03-15 | 一种氮和过渡金属元素掺杂的碳纳米颗粒的制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CNB2007100569239A CN100500559C (zh) | 2007-03-15 | 2007-03-15 | 一种氮和过渡金属元素掺杂的碳纳米颗粒的制备方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN101041431A true CN101041431A (zh) | 2007-09-26 |
| CN100500559C CN100500559C (zh) | 2009-06-17 |
Family
ID=38807262
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CNB2007100569239A Expired - Fee Related CN100500559C (zh) | 2007-03-15 | 2007-03-15 | 一种氮和过渡金属元素掺杂的碳纳米颗粒的制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN100500559C (zh) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102173405A (zh) * | 2010-12-24 | 2011-09-07 | 苏州方昇光电装备技术有限公司 | 一种具有可调控的光致发光性质的碳纳米粒子的制备方法 |
| EP2871154A4 (en) * | 2012-07-06 | 2015-12-23 | Panasonic Ip Man Co Ltd | CARBON MATERIAL, ELECTRODE CATALYST, ELECTRODE, GAS DIFFUSION ELECTRODE, ELECTROCHEMICAL DEVICE, FUEL BATTERY, AND PROCESS FOR PRODUCING CARBON MATERIAL |
| EP3159958A4 (en) * | 2014-06-20 | 2017-10-11 | Panasonic Corporation | Carbon-based material, electrode catalyst, electrode, electrochemical device, fuel cell, and method for manufacturing carbon-based material |
| CN107824209A (zh) * | 2017-11-09 | 2018-03-23 | 中国科学院上海硅酸盐研究所 | 用于喹啉类化合物选择性加氢的催化剂及其制备方法 |
| CN109777411A (zh) * | 2019-03-20 | 2019-05-21 | 南宁师范大学 | 钴掺杂磁性碳量子点的制备方法及检测尿酸的方法 |
| CN114631204A (zh) * | 2021-06-21 | 2022-06-14 | 宁德新能源科技有限公司 | 负极、电化学装置和电子装置 |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP7268930B1 (ja) * | 2022-03-08 | 2023-05-08 | 株式会社Dr-Cocos | 光線治療器および電極棒 |
-
2007
- 2007-03-15 CN CNB2007100569239A patent/CN100500559C/zh not_active Expired - Fee Related
Cited By (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102173405A (zh) * | 2010-12-24 | 2011-09-07 | 苏州方昇光电装备技术有限公司 | 一种具有可调控的光致发光性质的碳纳米粒子的制备方法 |
| CN102173405B (zh) * | 2010-12-24 | 2012-08-22 | 苏州方昇光电装备技术有限公司 | 一种具有可调控的光致发光性质的碳纳米粒子的制备方法 |
| EP2871154A4 (en) * | 2012-07-06 | 2015-12-23 | Panasonic Ip Man Co Ltd | CARBON MATERIAL, ELECTRODE CATALYST, ELECTRODE, GAS DIFFUSION ELECTRODE, ELECTROCHEMICAL DEVICE, FUEL BATTERY, AND PROCESS FOR PRODUCING CARBON MATERIAL |
| US9929411B2 (en) | 2012-07-06 | 2018-03-27 | Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. | Carbon-based material, electrode catalyst, electrode, gas diffusion electrode, electrochemical device, fuel battery, and process for producing carbon-based material |
| EP3159958A4 (en) * | 2014-06-20 | 2017-10-11 | Panasonic Corporation | Carbon-based material, electrode catalyst, electrode, electrochemical device, fuel cell, and method for manufacturing carbon-based material |
| CN107824209A (zh) * | 2017-11-09 | 2018-03-23 | 中国科学院上海硅酸盐研究所 | 用于喹啉类化合物选择性加氢的催化剂及其制备方法 |
| CN107824209B (zh) * | 2017-11-09 | 2020-06-12 | 中国科学院上海硅酸盐研究所 | 用于喹啉类化合物选择性加氢的催化剂及其制备方法 |
| CN109777411A (zh) * | 2019-03-20 | 2019-05-21 | 南宁师范大学 | 钴掺杂磁性碳量子点的制备方法及检测尿酸的方法 |
| CN109777411B (zh) * | 2019-03-20 | 2022-04-12 | 南宁师范大学 | 钴掺杂磁性碳量子点的制备方法及检测尿酸的方法 |
| CN114631204A (zh) * | 2021-06-21 | 2022-06-14 | 宁德新能源科技有限公司 | 负极、电化学装置和电子装置 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN100500559C (zh) | 2009-06-17 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN101041431A (zh) | 一种氮和过渡金属元素掺杂的碳纳米颗粒的制备方法 | |
| Wang et al. | Bacteria-derived biological carbon building robust Li–S batteries | |
| Zhang et al. | Extended metal–organic frameworks on diverse supports as electrode nanomaterials for electrochemical energy storage | |
| Wilberforce et al. | Role of carbon-based nanomaterials in improving the performance of microbial fuel cells | |
| Eder | Carbon nanotube− inorganic hybrids | |
| Maiyalagan | Synthesis and electro-catalytic activity of methanol oxidation on nitrogen containing carbon nanotubes supported Pt electrodes | |
| EP2436648A1 (en) | Carbon material and method for producing the same | |
| CN107393725A (zh) | 一种多孔导电的碳材料负载NiCo2O4复合材料及其制法和应用 | |
| CN108063056A (zh) | 一种多孔氮掺杂碳/碳纳米管复合材料及其制备方法和应用 | |
| CN108654659B (zh) | 一种磷化钼/石墨烯复合纳米材料及其制备方法 | |
| CN1884058A (zh) | 气凝胶碳纳米管及其制备方法和应用 | |
| CN101733985A (zh) | 一种石墨烯/氧化镍层状结构复合薄膜及其制备方法 | |
| Sun et al. | Microstructural and electrochemical characterization of RuO2/CNT composites synthesized in supercritical diethyl amine | |
| CN108722453A (zh) | 一种用于碱性电催化析氢的磷化钼/碳复合纳米材料 | |
| Yang et al. | Reduced graphene oxide/carbon nanotube composites as electrochemical energy storage electrode applications | |
| Wang et al. | Electrochemical composite deposition of porous cactus-like manganese oxide/reduced graphene oxide–carbon nanotube hybrids for high-power asymmetric supercapacitors | |
| Zhang et al. | Preparation of boron-doped diamond nanospikes on porous Ti substrate for high-performance supercapacitors | |
| CN109732918B (zh) | 3d打印梯度多孔氧化石墨烯三维微生物电极及其制备方法 | |
| Hsieh et al. | Oxygen reduction reactions from boron-doped graphene quantum dot catalyst electrodes in acidic and alkaline electrolytes | |
| Sengupta | Different synthesis routes of graphene-based metal nanocomposites | |
| CN101941692A (zh) | 高结晶性双壁碳纳米管的制备方法 | |
| CN110629242A (zh) | 一种分散多壁碳纳米管的方法 | |
| CN1299980C (zh) | 单壁碳纳米管的电弧合成方法 | |
| KR20130047879A (ko) | 티타늄이산화물-탄소나노튜브 나노복합체 전극의 제조 방법 | |
| CN1749156A (zh) | 一种电弧法合成可控单壁碳纳米管的方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20090617 Termination date: 20100315 |