一种厘米尺度的树状碳及其制备方法.pdf

一种厘米尺度的树状碳的树高度为1～10厘米，树冠直径为0.2～1厘米，树状碳的枝条是由直径为3～10微米的碳颗粒定向自组形成的，枝条直径为2～10微米，长度在10微米到1000微米之间。采用将反应器在氩气流下加热到900～1200℃；将催化剂加热到100～200℃，使之气化；用氩气将烃类溶剂和催化剂带入反应器中，在900～1200℃的温度范围内反应0.5～3小时；将反应器的温度降至室温，即可得到树状碳。本发明具有设备简单，投资少和操作简单、重复性好、所制备的树状碳尺寸大、结构丰富的优点。

1.  一种厘米尺度的树状碳，其特征在于树状碳的树高度为1～10厘米，树冠直径为0.2～1厘米，树状碳的枝条是由直径为3～10微米的碳颗粒定向自组形成的，枝条直径为2～10微米，长度在10微米到1000微米之间。

2、  如权利要求1所述的一种厘米尺度的树状碳的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)将反应器在氩气流下加热到900～1200℃；
(2)将催化剂加热到100～200℃，使之气化；
(3)用氩气将烃类溶剂和催化剂带入反应器中，其中催化剂的流量为0.02～0.6毫克/分钟·平方厘米，烃类溶剂的流量为1～20毫克/分钟·平方厘米，氩气的流量为30～240毫升/分钟·平方厘米，在900～1200℃的温度范围内反应0.5～3小时；
(4)在氩气流下保护下，将反应器的温度降至室温，即可得到树状碳。

3、  如权利要求2所述的一种厘米尺度的树状碳的制备方法，其特征在于所述的催化剂为易挥发的过渡金属有机化合物。

4、  如权利要求3所述的一种厘米尺度的树状碳的制备方法，其特征在于它们所述的过渡金属有机化合物是二茂铁，二茂钴或二茂镍。

5、  如权利要求2所述的一种厘米尺度的树状碳的制备方法，其特征在于所述的烃类溶剂包括芳香烃和脂肪烃。

6、  如权利要求5所述的一种厘米尺度的树状碳的制备方法，其特征在于所述的芳香烃是苯或甲苯。

7、  如权利要求5所述的一种厘米尺度的树状碳的制备方法，其特征在于所述的脂肪烃是己烷、戊烷或环己烷。

一种厘米尺度的树状碳及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种碳材料及其制备方法，具体地说涉及一种厘米尺度的树状碳及其制备方法。
碳是自然界构成生命体系的最重要元素之一。碳原子核外有六个电子，其中四个电子是可成键的电子，它赋予了碳丰富多彩的形貌和许多神奇的理化性质。如碳原子可以通过sp³杂化形成硬度最高的金刚石四面体结构；可通过sp²杂化形成具有耐热、导电和自润滑作用的石墨层状结构；或以sp¹杂化形成卡宾碳。更为重要的是各种杂化同时存在，形成具有独特结构和性能的富勒烯、洋葱碳和纳米管，并且，这些结构单元还可以通过自组织形式形成形态各异的碳材料如纳米管通过自组织形式形成纳米树状碳(或碳树)。因此，新型碳材料的合成与应用多年来一直是人们研究的一个热点课题。树状碳是近年来人们发现的一种具有枝杈结构或直杆结构，形态像“树”的一类新型碳材料。树状碳的独特形貌和结构一般是通过一些基本结构单元通过自组织形成的。树状碳的制备与研究，在材料的自组织、剪裁和分形理论等方面具有重大意义，同时，树状碳具有独特的形貌和结构，在复合材料增强、吸附、分离和传感器等领域具有潜在的应用前景。
有关树状碳的研究已有文献报道。美国Rensselaer工艺研究所的Ajayan等人报道了一种制备碳微米树的方法(Nature，Vol.404，243)。该方法是在石墨电极表面快速放电(温度为1100～2200℃，反应气为甲烷和氦气混合物，压力为500torr)中形成碳微米树。该技术的特点是加热和降温速率非常高(数百度每秒)，所得到的碳树为直杆结构，无分杈结构，树高度约数百微米。日本先进工业科学技术研究所的Yoshiki Shimizu等人报到了一种树状碳，其方法是首先将在Ni-Mo催化剂沉积在硅基片上，然后在直流等离子辅助加热系统中引入甲烷含量为5％的甲烷和氮气混合气体，经化学气相沉积后制备出高度达数微米的雪松状碳，这种新型树状碳是由碳纳米管组成的。另外，中国专利(02122640.)也公布了一种树状碳纳米管的制备方法。该发明的主要特征是将盛有钴/氧化镁负载型催化剂的石英舟放入石英反应器中央，在氢气气氛下升温到850～1100℃，然后通入甲烷和氢气的混合气体反应1～20分钟，并在氢气保护下降至室温，经酸洗后得到树枝状然而，具有丰富的枝杈结构。但是长度达数厘米的宏观尺度的树状碳及其制备方法未见报道。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有丰富枝杈结构、长度达厘米尺度的树状碳及其制备方法。
本发明的树状碳的特征是树纳米管。反应过程使用甲烷和氢气的混合气体，其体积比例范围为1∶2～8。的高度为1～10厘米，树冠直径为0.2～1厘米，树状碳的枝条是由直径为3～10微米的碳颗粒定向自组形成的，枝条直径为2～10微米，长度在10微米到1000微米之间。
本发明的树状碳的枝条上还可以长出分枝，形成丰富的枝杈结构，而且同一棵树的树枝枝条直径相近。
本发明的制备方法是采用烃类催化热解的方法，制备出一种厘米尺度的树状碳材料。
本发明是通过下面方法实现的：
(1)将反应器在氩气流下加热到900～1200℃；
(2)将催化剂加热到100～200℃，使之气化；
(3)用氩气将烃类溶剂和催化剂带入反应器中，其中催化剂的流量为0.02～0.6毫克/分钟·平方厘米，烃类溶剂的流量为1～20毫克/分钟·平方厘米，氩气的流量为30～240毫升/分钟·平方厘米，在900～1200℃的温度范围内反应0.5～3小时；
(4)在氩气流下保护下，将反应器的温度降至室温，即可得到树状碳。
本发明使用的催化剂为易挥发的过渡金属有机化合物，它们包括二茂铁，二茂钴或二茂镍。
本发明使用的烃类溶剂包括芳香烃如苯或甲苯等和脂肪烃如己烷、戊烷或环己烷等。
本发明的优点
1、设备简单，投资少和操作简单。
2、技术成熟，重复性好。
3、所制备的树状碳尺寸大、结构丰富。
图面说明
图1是本发明制备的一棵树状碳树梢的扫描电子显微镜图像。照片中的树梢长度约2毫米，具有丰富的枝杈结构。
图2是该树状碳局部放大的扫描电子显微镜图像。照片显示，树枝主要是由直径约5微米的碳球通过定向自组形成的，树枝的直径与碳颗粒直径相当，长度从数拾微米到数百微米。所有枝条的直径大小相近。
具体实施方式
实施例1：
称0.1克二茂铁，放入一个宽度为3厘米，长度为6厘米的瓷舟中，并加热到110℃。将反应器在氩气氛下升温到900℃，然后，用氩气将气化的二茂铁和甲苯带入反应器地恒温区。其中，二茂铁的流量为0.04毫克/分钟·平方厘米；甲苯的流量为1毫克/分钟·平方厘米；氩气的流量为30毫升/分钟·平方厘米。在900℃下反应3小时，关掉反应气，在氩气流中冷却至室温，即可得到长度为5厘米的树状碳。
实施例2：
称0.2克二茂铁，放入一个宽度为3厘米，长度为6厘米的瓷舟中，并加热到130℃。将反应器在氩气氛下升温到1000℃，然后，用氩气将二茂铁和甲苯带入反应器的恒温区。其中，二茂铁的流量为0.26毫克/分钟·平方厘米；甲苯的流量为3.6毫克/分钟·平方厘米；氩气的流量为80毫升/分钟·平方厘米。在1000℃下反应1小时后，关掉反应气，在氩气流中冷却至室温，即可得到长度为7厘米的树状碳。
实施例3：
称0.3克二茂镍，放入一个宽度为3厘米，长度为6厘米的瓷舟中，并加热到180℃。将反应器在氩气氛下升温到1100℃，然后，用氩气将气化的二茂镍和二甲苯带入反应器的恒温区。其中，二茂镍的流量为0.14毫克/分钟·平方厘米；二甲苯的流量为10毫克/分钟·平方厘米；氩气的流量为130毫升/分钟·平方厘米。在1100℃反应3小时后，关掉反应气，在氩气流中冷却至室温，即可得到长度为10厘米的树状碳。
实施例4：
称0.5克二茂钴，放入一个宽度为3厘米，长度为6厘米的瓷舟中，并加热到200℃。将反应器在氩气氛下升温到1200℃，然后，用氩气将气化的二茂钴和己烷带入反应器的恒温区。其中，二茂钴催化剂的流量为0.34毫克/分钟·平方厘米；己烷的流量为18毫克/分钟·平方厘米；氩气的流量为200毫升/分钟·平方厘米。在1200氩气氛下反应2小时后，关掉反应气，在氩气流中冷却至室温，即可得到长度为8厘米的树状碳。
实施例5：
称0.2克二茂铁，放入一个宽度为3厘米，长度为6厘米的瓷舟中，并加热到130℃。将反应器在氩气氛下升温到1150℃，然后，用氩气将气化的二茂铁和甲苯带入反应器的恒温区。其中，二茂铁催化剂的流量为0.54毫克/分钟·平方厘米；甲苯的流量为10毫克/分钟·平方厘米；氩气的流量为230毫升/分钟·平方厘米。在1150℃反应0.5小时后，关掉反应气，在氩气流中冷却至室温，即可得到长度为3厘米的树状碳。