探究实作-捕捉奈米碳微粒

生物质源制备碳微/纳米球孙远芳（材料科学与工程学院，陕西师范大学，西安，710100）摘要开发和设计纳米材料的“绿色化”合成路线，对工程应用和环境保护都具有重要的意义。

本文以生物质葡萄糖和木糖为原料、水为溶剂，在环境友好的密闭低温水热反应体系中，分别合成了碳纳米和碳微米球。

通过扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、X射线衍射仪（XRD）、傅里叶变换红外光谱仪（FT-IR）、比表面积自动吸附仪等测试手段，对碳材料样品的形貌、结构、组成进行了表征。

又用生化试剂木糖，用微波法制备得到了形貌较好、均匀、规整度高的碳微米球。

关键词：水热法绿色化学碳纳米球微波法碳微米球第一章碳材料综述1.1碳材料在整个自然界中，碳是含量非常丰富，也是分布最为普遍的元素之一, 其丰度居第六位。

碳材料是一种古老而又新颖的材料,它的物化性质广泛,从最软到最硬;从绝缘体到良导体;从绝热体到良导热体;从吸光到透光等,几乎涵盖了自然界所有物质的性质。

因此,碳也具有广泛的用途,从古老的木炭到近代的人造石墨、活性炭再到现代的碳纤维和锂离子二次电池材料等,涉及众多领域,数不胜数,已与人类的生产生活息息相关。

这些碳材料如今也在各个领域支撑着人们现有的生活。

在众多不同形貌和结构的碳材料中，纳米和微米级的碳球结构由于其自身优越的特性表现出了巨大的应用前景。

1.2球型碳材料1.2.1 球形碳材料的发展自从富勒烯、纳米碳管材料被发现以来，在世界范围内便开展了对碳素材料的全面研究。

因而具有独特结构的碳材料已经引起了广泛的关注.球形碳材料的发现是在 1961[1]年，科学家在研究焦炭的形成过程中发现沥青类化合物在热处理过程中会发生中间相转变，生成中间相小球。

这是人类第一次发现球形碳材料。

19世纪60年代-21世纪以来，碳材料迈入了新型碳制品的发展时代,其中1960一1980年主要用有机物碳化方法制备碳材料, 以碳纤维、热解石墨的发明为代表; 1980年以后则主要以合成的手法制备新型碳材料,以气相合成金刚石薄膜为代表。

第46卷 第1期 2019年1月天 津 科 技TIANJIN SCIENCE & TECHNOLOGYV ol.46 No.1Jan. 2019*通讯作者收稿日期：2018-12-05应用技术高氮元素含量碳纳米粒子的制备及应用研究薛菲菲1，席丽娟1，吴乐乔1，宋敬川2*(1. 深圳职业技术学院 广东深圳518055；2. 长园集团股份有限公司，清华大学深圳研究生院 广东深圳518000)摘 要：采用氮含量更高的乙二胺为催化剂，同时采用高氮含量的3-氨基苯酚为氮源，开发了一种新型高效制备氮掺杂碳纳米粒子的技术，其所制备的碳纳米粒子具有较高的氮元素含量。

实验结果表明，通过调控催化剂的浓度可以有效地控制纳米粒子的大小，其粒径在50～1450nm 范围内有效可控。

经过高温碳化所制备的杂化碳纳米粒子中的氮含量保持较高水平，其氮元素含量高达11.40wt %。

电化学测试结果表明，所制备得到的杂化碳球还表现出较高的比电容量。

关键词：碳纳米粒子 氮元素 电容量中图分类号：TB34 文献标志码：A 文章编号：1006-8945(2019)01-0034-06Facile Synthesis of High Nitrogen Content Carbon Spheres andIts ApplicationXUE Feifei 1，XI Lijuan 1，WU Leqiao 1，SONG Jingchuan 2*(1. Shenzhen Polytechnic ，Shenzhen 518055，Guangdong Province ，China ；2. Changyuan Group Ltd.，Graduate Schoolat Shenzhen ，Tsinghua University ，Shenzhen 518000，Guangdong Province ，China ) Abstract ：A facile method is developed for synthesizing high nitrogen content carbon spheres.By using 3-aminophenol as precursor and ethylenediamine as the sole catalyst ，higher nitrogen-doped resin and carbon particles are obtained.The result-ing resin particles are spherical and uniform in size.The particle size is tunable from 50 to 1450nm by appropriately varying the concentration of catalyst.After carbonizing ，uniform spherical carbon particles are also obtained with nitrogen content reaching up to 11.40wt %.In the application of supercapacitors ，the nitrogen-doped carbon spheres also exhibit superior per-formance ，which shows high capacitance and excellent capacitance. Key words ：carbon nanoparticles ；nitrogen ；capacitance碳纳米粒子在催化、药物负载、细胞成像、吸附以及电极材料等领域具有重要的应用价值，特别是近年来新能源行业的发展，碳材料作为一类重要的原料备受关注[1-8]。

蒸汽冷凝法制备纳米微粒实验报告物理学院131120190 谢林洲一、实验目的：学习和掌握利用蒸汽冷凝法制备金属纳米微粒的基本原理和实验方法，研究威力尺寸与惰性气体气压之间的关系二、实验原理：首先利用抽气泵（真空泵）对系统进行真空抽吸，并利用惰性气体进行置换。

惰性气体为高纯氩气、氦气等。

几次置换后，将真空反应室内保护气的气压调节控制至所需的参数范围，通常约为0.1ｋＰａ至10ｋＰａ范围，与所需粒子粒径有关。

当原材料被加热至蒸发温度时蒸发成气相。

气相的原材料原子与惰性气体的原子（或分子）碰撞，迅速降低能量而骤然冷却。

骤冷使得原材料的蒸汽中形成很高的局域过饱和，非常有利于成核。

成核与生长过程都是在极短的时间内发生的。

首先形成原子簇，然后继续生长成纳米微晶，最终在收集器上收集到纳米粒子。

本实验仪用电阻加热，气体冷凝法制备纳米微粒。

三、实验步骤：（1）关闭Ｖ1、Ｖ2阀门，对真空室抽气至0.05ｋＰａ附近。

（2）利用氩气（或氮气）冲洗真空室。

打开阀门Ｖ1使氩气（或氮气）进入真空室，边抽气边进气（氩气或氮气）约５分钟。

（3）关闭阀Ｖ1，观察真空度至0.13ｋＰａ附近时关闭Ｓ2，停止抽气。

此时真空度应基本稳定在0.13ｋＰａ附近。

（4）沿顺时针方向缓慢旋转加热功率旋钮，观察加热电压或电流，同时关注钨丝。

随着加热功率的逐渐增大，钨丝逐渐发红进而变亮。

当温度达到铜片（或其它材料）的熔点时铜片熔化，并由于表面张力的原因，浸润至钨丝上。

测量此时加热电压和加热电流，记录热电偶指示值。

（5）继续加大加热功率时可以见到用作收集器的烧杯表面变黑，表明蒸发已经开始。

随着蒸发过程的进展，钨丝表面的铜液越来越少，最终全部蒸发掉，此时应立即将加热功率调至最小。

（6）打开阀门Ｖ2使空气进入真空室，当压力与大气压最近时，小心移开真空罩，取下作为收集罩的烧杯。

用刷子轻轻地将一层黑色粉末刷至烧杯底部再倒入备好的容器，贴上标签。

收集到的细粉即是纳米铜粉。

实验1葡萄糖水热法制备纳米碳球一、目的要求（1）熟悉葡萄糖水热法制备纳米碳球的方法，熟练掌握高温高压反应釜的组装与应用。

（2）熟悉并理解水热法的基本原理、特性，熟练使用反应釜，关注反应釜使用的注意事项。

二、实验原理炭微球材料由于其具有高密度、高强度、高比表面积以及在锂离子电池方面的应用前景，已经引起许多研究人员的兴趣。

碳微球的形状和大小显著影响着其电学性能。

葡萄糖在水热条件下会发生许多化学反应，实验结果表明：炭微球的增长似乎符合LaMer模型（见图1-1），当0.5mol/L的葡萄糖溶液在低于140 C或反应时间小于1h时不会形成炭球，在此条件下反应后溶液呈橙色或红色并且粘度增强，表明有芳香族化合物和低聚糖形成，这是反应的聚合步骤。

当反应条件为0.5mol/L、160℃、3h时开始出现成核现象，这个碳化步骤可能是由于低聚糖之间分子间脱水而引起的交联反应，或者在先前步骤中有其它大分子的形成，然后形成的核在溶液中各向同性生长所致。

从现有的研究结果表明，制备过程中的反应条件如葡萄糖的起始浓度、反应温度和反应时间直接影响炭球的粒径分布，其中反应时间对颗粒粒径影响很大，随着反应时间的延长，这些纳米炭球粒径从150nm（最初核的大小，实验所得到的最小的尺寸）生长到1500nm。

由葡萄糖水热法制备纳米炭球具有绿色环保无污染的特点，实验过程中没有引入任何引发剂以及有毒溶剂，制备得到的炭球粒径均匀，大小可控，同时表面含有大量活性官能团，具有优良的亲水性和表面反应活性，可应用于生物化学、生物诊断以及药物传输领域，也可以作为制备核壳结构材料或者多孔材料的模板等等，具有令人欣喜的应用前景。

图1-1 水热法形成炭球的结构变化示意图三、实验预备葡萄糖，去离子水，95%乙醇；22um有机滤膜；5mL高压反应釜，鼓风干燥箱，电子天平，抽滤装置。

四、实验过程1．材料制备用电子天平称取6g葡萄糖放入5mL反应釜内衬中，用移液管准确移取4mL去离子水（葡萄糖溶液的浓度为0.78mol/L）加入到上述反应釜中，用玻璃棒搅拌溶液，使葡萄糖全部溶解，然后装入反应釜中，用扳手拧紧反应釜，放入烘箱中。

蒸汽冷凝法制备纳米微粒摘要：本实验利用气象冷凝法制取铜的纳米级微粒,并对实验现象进行了讨论。

关键词：蒸汽冷凝，真空，纳米级微粒1. 引言20世纪80年代末以来，一项令世人瞩目的纳米科学技术正在迅速发展。

纳米科技将在21世纪促使许多产业领域发生革命性变化。

关注纳米技术并尽快投入到与纳米科技有关的研究，是本世纪许多科技工作者的历史使命。

2.纳米材料的特殊效应（1）小尺寸效应纳米材料的尺度与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小，宏观晶体的周期性边界条件不再成立，导致材料的声、光、电、磁、热、力学等特性呈现小尺寸效应。

例如各种金属纳米颗粒几乎都显现黑色，表明光吸收显著增加；许多材料存在磁有序向无序转变，导致磁学性质异常的现象；声子谱发生改变，导致热学、电学性质显著变化。

曾有人利用高分辨率电子显微镜追踪拍摄超细金微粒，观察到微粒的外形、结晶态不停地变化，特定界面的原子不断地脱离平衡位置又不停地返回平衡位置，呈现出与常规材料不同的特性。

纳米微粒之间甚至在室温下就可以合二为一，它们的熔点降低自然是意料中的结果。

（2）表面效应以球形颗粒为例，单位质量材料的表面积（称为比表面积）反比于该颗粒的半径。

因此当半径减小时比表面积增大。

表面原子数比例、表面能等也相应地增大，从而表面的活性增高。

洁净的金属纳米微粒往往会在室温环境的空气中燃烧（表面有薄层氧化物时相对稳定），这是必须面对的问题，但是反过来也为优良的催化剂提供了现实可能。

（3）量子尺寸效应传统的电子能带理论表明，金属费米能级附近电子能级是连续的。

但是按照著名的久保理论，低温下纳米微粒的能级不连续。

相邻电子能级间距δ与微粒直径相关。

3d δ-ｄ为直径。

由此可见随着微粒直径变小，电子能级间距变大。

久保理论中提及的低温效应按如下标准判断，即只在δ＞ｋB Ｔ时才会产生能级分裂，式中ｋB 为玻尔兹曼常数，Ｔ为绝对温度。

这种当大块材料变为纳米微粒时，金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级的现象称为量子尺寸效应。

生物质源制备碳微/纳米球孙远芳（材料科学与工程学院，陕西师范大学，西安，710100）摘要开发和设计纳米材料的“绿色化”合成路线，对工程应用和环境保护都具有重要的意义。

本文以生物质葡萄糖和木糖为原料、水为溶剂，在环境友好的密闭低温水热反应体系中，分别合成了碳纳米和碳微米球。

通过扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、X射线衍射仪（XRD）、傅里叶变换红外光谱仪（FT-IR）、比表面积自动吸附仪等测试手段，对碳材料样品的形貌、结构、组成进行了表征。

又用生化试剂木糖，用微波法制备得到了形貌较好、均匀、规整度高的碳微米球。

关键词：水热法绿色化学碳纳米球微波法碳微米球第一章碳材料综述1.1碳材料在整个自然界中，碳是含量非常丰富，也是分布最为普遍的元素之一, 其丰度居第六位。

碳材料是一种古老而又新颖的材料,它的物化性质广泛,从最软到最硬;从绝缘体到良导体;从绝热体到良导热体;从吸光到透光等,几乎涵盖了自然界所有物质的性质。

因此,碳也具有广泛的用途,从古老的木炭到近代的人造石墨、活性炭再到现代的碳纤维和锂离子二次电池材料等,涉及众多领域,数不胜数,已与人类的生产生活息息相关。

这些碳材料如今也在各个领域支撑着人们现有的生活。

在众多不同形貌和结构的碳材料中，纳米和微米级的碳球结构由于其自身优越的特性表现出了巨大的应用前景。

1.2球型碳材料1.2.1 球形碳材料的发展自从富勒烯、纳米碳管材料被发现以来，在世界范围内便开展了对碳素材料的全面研究。

因而具有独特结构的碳材料已经引起了广泛的关注.球形碳材料的发现是在 1961[1]年，科学家在研究焦炭的形成过程中发现沥青类化合物在热处理过程中会发生中间相转变，生成中间相小球。

这是人类第一次发现球形碳材料。

19世纪60年代-21世纪以来，碳材料迈入了新型碳制品的发展时代,其中1960一1980年主要用有机物碳化方法制备碳材料, 以碳纤维、热解石墨的发明为代表; 1980年以后则主要以合成的手法制备新型碳材料,以气相合成金刚石薄膜为代表。