碳包金属、碳包金属碳化物纳米微粉的合成方法

摘要

本发明公开了一种合成碳包金属、碳包金属碳化物纳米磁粉的方法,它是在真空电弧炉中水平安装两根装有两根金属或金属氧化物源的等径碳电极,抽真空至1×10－2乇后充入惰性气体,接通20~60V、200~1500A的交流电,操纵可动电极,使两电极间产生稳定电弧。本发明采用交流电弧法,利用碳和金属在真空自耗电极电弧炉中通过等离子体放电同时蒸发,经化学反应生成碳包金属或金属碳化物纳米微粉,产率高,成本低,合成工艺重现性好,适合大规模的工业生产。

说明书

本发明涉及一种高效合成碳包金属、碳包金属碳化物纳米磁粉的方法。

碳包金属或金属碳化物纳米微粉是一种新型纳米材料，当金属为过渡金属或稀土金属时，该材料具有优越的磁学特性。由于金属或金属碳化物纳米颗粒之间被碳包裹而相互隔离，因此这种新的结构形式既显示出了纳米尺寸效应又克服了纳米金属材料因表面能过大表现出的热、化学不稳定等缺陷，在材料领域具有十分重要的应用前景。目前，已有的制备技术是采用直流电弧法(Science,1993,259:346；Jpn.J.Appl.Phys.,1994,33:L526)，在直流电弧法所使用的碳电极中只有阳极消耗，制备出的碳包金属或金属碳化物的量小，设备利用率低，又由于直流电弧的阴阳极之间存在温度梯度，合成过程中会有碳纳米管等负产物生成，所以合成产率较低。

本发明的目的在于提供一种高效合成碳包金属、碳包金属碳化物纳米磁粉的新方法。该方法将采用低压大电流的交流电作电源，合成所用的碳电极同时消耗，产量及设备利用率都是直流碳弧法的两倍以上，制备碳包金属、碳包金属碳化物纳米磁粉的产率达90％以上，具有产量大、产率高、成本低、重现性好的特点，适合于大规模生产。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

本发明方法是利用石墨或无定形碳与金属或金属氧化物在交流电弧下高温同时蒸发时，碳和金属之间发生通过化学反应生成金属碳化物纳米晶，金属碳化物纳米晶继续被蒸发的碳团簇包裹形成碳包金属碳化物纳米微粉，经冷却沉积到真空容器壁上。当所掺杂的金属或金属氧化物过量时，便有碳包金属碳化物和碳包金属等多种形式的包合物形成。其形成过程可用下列简式描述：

制备出的C@M_xC_y，C@M微粉的大小分布为几十纳米到几个微米之间，其中M_xC_y，M呈颗粒状分散在碳层中，其粒径分布在几个纳米到几百纳米之间。

本发明方法的具体步骤包括：

1、在真空自耗电极电弧炉中水平安装两根等径碳电极，其中的一个电极为可动电极，两根碳电极上分别钻有小孔，并装入金属或金属氧化物源，电源选用低电压(20～60V)大电流(200～1500A)的交流电。当电弧炉中真空度抽至1×10^-2乇时，停止抽真空，充入100～600乇的惰性气体，接通电源，操纵可动电极，使两电极间产生稳定电弧，通过推进可动电极使碳和金属棒在电弧下均匀消耗，高温蒸发的碳和金属经冷却形成碳包金属和碳包金属碳化物并沉积在冷凝器壁上。当电极中金属或金属氧化物源完全消耗时，断开电弧，待炉内温度降至室温后，打开电弧炉，去除电极正下方的碳渣、金属熔粒和微粉，收集剩余炉壁上的微粉，微粉中含有90％的碳包金属或金属碳化物，2～5％的富勒烯，以及少量无定形碳粉和纳米碳管。

2、将收集的微粉分散在溶剂中，形成悬浮液，超声波振荡2～3分钟，悬浮液经蠕动泵输送至一外管上装有磁铁的玻璃管，当悬浮液缓慢流经玻璃管时，由于磁场作用磁性碳包金属或金属碳化物便被磁铁吸附，非磁性物质则随溶剂流出玻璃管，收集磁性微粉，再将其分散于溶剂中，重复上述分离步骤一次，得纯净的碳包金属或金属碳化物磁性微粉。

3、通过控制上述步骤1电极中碳与金属的进料比，可制备出金属含量为15％～70％的碳包金属或金属碳化物磁性微粉。

按照本发明的技术方案，所用的碳为石墨或无定形碳，所用的金属M选自过渡金属或稀土金属中的一种，如：Fe,Co,Ni,Y,Nd等。所选用的惰性气体为氮气、氦气、氩气中的一种，或者是其混合气体。所用的分散溶剂为为水、乙醇或其它有机溶剂，如丙酮等。

该方法首次采用低压大电流的交流电作电源合成碳包金属或金属碳化物纳米磁粉，合成时所用的碳电极同时消耗，产量及设备利用率都是直流碳弧法的两倍以上，初产物的分离纯化简单而且有效，制备碳包金属、碳包金属碳化物纳米磁粉的产率达90％以上，具有产量大、产率高、成本低、重现性好的特点，适合于大规模生产。

为了更清楚地说明本发明，列举下列实施例，但这对本发明无任何限制。

实施例1，

合成实验在卧式真空自耗电极电弧炉中进行。在两根水平安装的石墨电极棒φ15×150mm(99.99％)内分别钻φ5×120mm的孔，装入两根φ4×110mm的铁棒(99.9％)，抽真空至1×10^-2乇时，充入He气(100～200乇)，接通交流电源，控制电流为700～800A，电压为25～35V，两根碳棒之间形成稳定的电弧，电极中碳和铁在高温下同时蒸发形成微粉，经冷却沉积在炉壁上，反应结束后，去除电极正下方炉壁上的微粉、铁熔粒和碳渣，收集其余部分微粉。将收集的微粉分散在乙醇中，超声波振荡

当微粉悬浮液通过蠕动泵缓慢输送至玻璃管时，由于磁场作用磁性微粉被磁铁吸附，而非磁性微粉则随乙醇流出玻璃管。悬浮液输送完后，再用少量乙醇通过蠕动泵输送至玻璃管，冲洗磁性微粉。收集磁性微粉。

再重复进行上述分离步骤，吸附在磁铁附近的磁性微粉即为纯净的碳包碳化铁微粉，该微粉中铁的含量为17.5％，其结构特征是碳化铁纳米晶的周围被石墨碳包裹，碳化铁的粒径在纳米级范围。

实施例2

在两根石墨电极棒φ15×300mm(99.99％)内分别钻两个φ11×250mm的孔，装入两根φ10×240mm的铁棒，操作与实施例1相同，可获得碳包铁和碳包碳化铁的混合纳米磁性微粉，微粉中铁的含量可提高到70％。

实施例3

操作与实施例1相同，只是把铁换成氧化铁，钴，氧化钴，氧化钆，可获得碳包铁或碳化铁，碳包钴或碳化钴，碳包钆或碳化钆磁性微粉，微粉中各金属含量随着加入的金属量的多少而发生变化。