專利名稱：一種制備螺旋碳納米管宏觀體的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于材料科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及制備螺旋碳納米管宏觀體的方法。
背景技術(shù)：
碳納米管可以看作是由石墨片層卷曲而形成的一維管狀納米結(jié)構(gòu)。自從1991年日本科學(xué)家Iijima首次發(fā)現(xiàn)碳納米管以來，以其獨特的物理性質(zhì)和特殊的準(zhǔn)一維結(jié)構(gòu)，迅速成為物理、化學(xué)和材料科學(xué)交叉領(lǐng)域的一大研究熱點。大部分碳納米管都呈現(xiàn)直的一維線狀結(jié)構(gòu)，但如果在碳納米管中引入非碳六環(huán)結(jié)構(gòu)可使管狀出現(xiàn)彎曲環(huán)繞，形成螺旋結(jié)構(gòu)。螺旋碳納米管(coiled carbon nanotubes)就是一種彎曲環(huán)繞，形成螺線狀結(jié)構(gòu)的碳納米管。理論和實驗研究表明依據(jù)直徑和螺旋度不同，碳納米管表現(xiàn)出從半導(dǎo)體到金屬的一系列電學(xué)性質(zhì)(Odom, T.W. ；Huang, J. L ；Kim, P.； Lieber，C. M. J. Phys. Chem. B，2000，104,2794.)。它還具有優(yōu)良的微波吸收性能，在輕質(zhì)微波吸收材料方面具有潛在的應(yīng)用價值，同時，當(dāng)其用于高聚物的增強材料時，所形成的復(fù)合材料具有良好的機械強度。目前螺旋碳納米管的制備方法主要是催化化學(xué)氣相沉積法，該類方法中以催化劑和碳源進入反應(yīng)器方式的不同又可分為負(fù)載法和浮游法。負(fù)載法需要用浸漬、鍍膜、離子濺射、電化學(xué)沉積等預(yù)先將催化劑負(fù)載到載體上，然后將催化劑置入反應(yīng)器中實現(xiàn)螺旋碳納米管的生長，但該方法制備過程較為復(fù)雜，產(chǎn)率較低。浮游法是將催化劑和碳源一起置入反應(yīng)器中，催化劑原位形成，即催化劑浮游進入反應(yīng)器，實現(xiàn)螺旋碳納米管的生長。這些都是通過催化劑的處理來直接生長螺旋碳納米管，所得螺旋碳納米管的形貌各異，也談不上宏觀體的概念。所以造成螺旋碳納米管在使用過程中，相互纏繞，極難分散，給使用帶來困難。鑒于此，本發(fā)明提出一種制備螺旋碳納米管宏觀體的方法，可大大提高螺旋碳納米管的產(chǎn)量與應(yīng)用能力。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種制備螺旋碳納米管宏觀體的方法，它能有效地獲得螺旋碳納米管宏觀體。本發(fā)明實現(xiàn)其發(fā)明目的所采用技術(shù)方案是的其具體做法是A.過濾法制備碳納米管基底材料將碳納米管粉末用硝酸或硫酸或者二者的混合液進行純化處理，然后加入到有機溶劑中，經(jīng)超聲分散、過濾、真空干燥，獲得碳納米管基底材料；B.螺旋碳納米管催化劑的負(fù)載取催化劑和檸檬酸配制成催化劑溶液，并將過濾法制得的碳納米管基底材料在上述催化劑溶液中浸漬l-200min，溫度為100 500°C條件下保溫，經(jīng)浸漬和保溫操作次數(shù)為 1 200次操作后，得到負(fù)載有催化劑的碳納米管基底材料；
C.螺旋碳納米管宏觀體的制備將負(fù)載有催化劑的碳納米管基底材料置于管式電阻爐的石英管中，在升溫的過程中，向石英管內(nèi)通入氬氣或氮氣；升溫至780 1200°C時改通氫氣，保溫5 300min ；然后， 在600 1200°C條件下通入乙炔、甲烷、天然氣中的一種以及乙炔、甲烷、天然氣中的一種與氬氣或氮氣的混合氣5 300min ；最后通入氬氣或氮氣冷卻至室溫，去掉催化劑后得到螺旋碳納米管宏觀體。A步中所述的有機溶劑為乙醇、N-N 二甲基甲酰胺；B步中所述的催化劑和檸檬酸的摩爾比為1 1 1 20;B步中所述的催化劑為納米級鐵、鈷或鎳，以及能在780 1200°C下還原成納米級鐵、鈷或鎳的化合物；本發(fā)明方法的機理是在碳納米管宏觀體的表面或內(nèi)部負(fù)載螺旋碳納米管生長的催化劑，利用碳納米管宏觀體的不規(guī)則空間進一步引導(dǎo)螺旋碳納米管的生長。最終將螺旋碳納米管生長于碳納米管宏觀體內(nèi)部和表面，形成由螺旋碳納米管穿插和包裹一般碳納米管而組成的螺旋碳納米管宏觀體。與現(xiàn)有方法相比，本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明方法提出的一種制備螺旋碳納米管宏觀體的方法，通過該方法，可制備得到螺旋碳納米管宏觀體。該方法借用目前能大批量生產(chǎn)的一般碳納米管為基底材料，將螺旋碳納米管穿插和包裹在其上，從而組成螺旋碳納米管宏觀體，可大大保留螺旋碳納米管在應(yīng)用時的本來形貌。從而有效避免了螺旋碳納米管本身具有的高纏繞、難分散、產(chǎn)量低難以應(yīng)用的缺點，大大提高了螺旋碳納米管的應(yīng)用性。本發(fā)明方法具有操作簡單，所得螺旋碳納米管形貌易控，所得產(chǎn)品應(yīng)用性強且產(chǎn)量高的特點。


圖1為本發(fā)明實施例一方法制備的碳納米管宏觀體的數(shù)碼照片。圖2為本發(fā)明實施例一方法制備的螺旋碳納米管宏觀體中螺旋碳納米管的掃描電鏡圖。圖3為本發(fā)明實施例一方法制備的螺旋碳納米管宏觀體中螺旋碳納米管的透射電鏡圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體的實施方式對本發(fā)明作進一步詳細(xì)的說明。實施例一本發(fā)明的一種具體實施方式
為，一種制備螺旋碳納米管宏觀體的方法，其具體做法是A.過濾法制備碳納米管基底材料將碳納米管粉末用硝酸或硫酸或者二者的混合液進行純化處理，然后加入到乙醇中超聲分散、抽壓過濾、真空干燥，得到碳納米管基底材料。B.螺旋碳納米管催化劑的負(fù)載將碳納米管基底材料負(fù)載用于制備螺旋碳納米管的催化劑，本例催化劑選用硝酸鎳，取滿足摩爾比為1 2的硝酸鎳和檸檬酸配制成催化劑溶液，并將碳納米管宏觀體在上述浸漬液中浸漬lOmin，然后在200°C保溫lOmin，浸漬和保溫操作進行4次，然后再浸漬 lOmin，再在200°C時保溫lOmin，得到負(fù)載有催化劑的碳納米管基底材料。C.螺旋碳納米管宏觀體的制備將負(fù)載有催化劑的碳納米管基底材料置于管式電阻爐的石英管中，在升溫的過程中，向石英管內(nèi)通入氬氣，以排出管內(nèi)的空氣；升溫至800°C時改通氫氣，保溫60min，以使硝酸鎳還原成鎳；然后，降溫至700°C，通入乙炔、氬氣(體積比為1 9)的混合氣60min， 進行后續(xù)處理；最后通入氬氣冷卻至室溫，用硝酸去掉催化劑后得到螺旋狀碳納米管宏觀體。實施例二本例的方法與實施例一的制作方法基本相同，不同的僅僅是A步中，有機溶劑為N-N 二甲基甲酰胺；B步中，負(fù)載的用于制備螺旋的催化劑是硝酸鐵與硝酸鎳的混合物(摩爾比比 1 1)，浸漬時間為lmin，保溫溫度為300°C。浸漬與保溫次數(shù)為1次。C步中，通氫氣的溫度是780°C，通氣時間300min，碳源氣為天然氣，通氣的溫度是 600°C，通氣時間為300min。實施例三本例的方法與實施例一的制作方法基本相同，不同的僅僅是B步中，所用催化劑為硝酸鐵，硝酸鐵和檸檬酸的摩爾比為1 10，浸漬時間為 200min，保溫溫度為500°C，保溫時間為lOmin，浸漬和保溫操作的次數(shù)為100次。C步中，通氫氣的溫度為1200°C，保溫時間為5min，通入的是甲烷與氮氣的混合氣 (體積比為1 9)，通氣的溫度是1200°C，通氣時間為5min。實施例四本例的方法與實施例一的制作方法基本相同，不同的僅僅是B步中，催化劑溶液采用滿足摩爾比為1 20的金屬鈷和硝酸鎳配制，浸漬時間為 20min，保溫溫度為100°C，浸漬與保溫次數(shù)為200次。C步中，通氫氣的溫度為1000°C，保溫時間為150min，通入的是甲烷與氮氣的混合氣(體積比為1 9)，通氣時間為150min。
權(quán)利要求
1.一種制備螺旋碳納米管宏觀體的方法，其特征在于A.過濾法制備碳納米管基底材料將碳納米管粉末用硝酸或硫酸或者二者的混合液進行純化處理，然后加入到有機溶劑中，經(jīng)超聲分散、過濾、真空干燥，獲得碳納米管基底材料；B.螺旋碳納米管催化劑的負(fù)載取催化劑和檸檬酸配制成催化劑溶液，并將過濾法制得的碳納米管基底材料在上述催化劑溶液中浸漬l-200min，溫度為100 500°C條件下保溫，經(jīng)浸漬和保溫操作次數(shù)為1 200次操作后，得到負(fù)載有催化劑的碳納米管基底材料；C.螺旋碳納米管宏觀體的制備將負(fù)載有催化劑的碳納米管基底材料置于管式電阻爐的石英管中，在升溫的過程中， 向石英管內(nèi)通入氬氣或氮氣；升溫至780 1200°C時改通氫氣，保溫5 300min ；然后，在 600 1200°C條件下通入乙炔、甲烷、天然氣中的一種以及乙炔、甲烷、天然氣中的一種與氬氣或氮氣的混合氣5 300min ；最后通入氬氣或氮氣冷卻至室溫，去掉催化劑后得到螺旋碳納米管宏觀體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種制備螺旋碳納米管宏觀體的方法，其特征在于A步中所述的有機溶劑為乙醇、N-N 二甲基甲酰胺。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種制備螺旋碳納米管宏觀體的方法，其特征在于B步中所述的催化劑和檸檬酸的摩爾比為1 1 1 20。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種制備螺旋碳納米管宏觀體的方法，其特征在于，B步中所述的催化劑為納米級鐵、鈷或鎳，以及能在780 1200°C下還原成納米級鐵、鈷或鎳的化合物。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種制備螺旋碳納米管宏觀體的方法，屬于材料科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。其做法是先將一般的碳納米管經(jīng)過濾法制備得到碳納米管基礎(chǔ)材料，然后在其上與內(nèi)部負(fù)載生長螺旋碳納米管的催化劑，最后將螺旋碳納米管生長于碳納米管基礎(chǔ)材料內(nèi)部和表面，形成由螺旋碳納米管穿插和包裹一般碳納米管而組成的螺旋碳納米管宏觀體。通過這種制備螺旋碳納米管宏觀體的方法，可獲得富含螺旋碳納米管的碳材料宏觀體，能在使用過程中保持螺旋碳納米管的形貌結(jié)構(gòu)，充分發(fā)揮螺旋碳納米管的特有性能。且操作簡單，產(chǎn)量大，適合批量生產(chǎn)。
文檔編號B82Y40/00GK102424377SQ20111027277
公開日2012年4月25日 申請日期2011年9月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月15日
發(fā)明者盧曉英, 和臘梅, 江奇, 趙勇 申請人:西南交通大學(xué)