CN100391834C - 高纯度多壁碳纳米管的制备方法 - Google Patents

高纯度多壁碳纳米管的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高纯度多壁碳纳米管的制备方法。具体地说是在一种温和条件下(温度为1000℃、无毒害、安全)，以活性炭为原料，二茂铁为催化剂，氮气气氛保护条件下，采用热化学气相沉积法高纯度合成多壁碳纳米管的方法。本发明制备过程和设备简单，安全易操作，制备的多壁碳纳米管纯度高，管径大小均匀，内径15～25nm，外径40～60nm，长度达数百纳米至微米级。多壁碳纳米管表面光滑。产品性能优良等特点，适用于多壁碳纳米管的大量生产。所制得的多壁碳纳米管可用于电子器件、场发射、储氢材料、化学传感器和增强复合材料等诸多方面。

Description

高纯度多壁碳纳米管的制备方法
技术领域
本发明涉及一种碳纳米管的制备方法。
背景技术
碳纳米管自1991年日本NEC公司的S.Iijima教授发现以来(S.Iijima Nature 354(1991)56)。由于其独特的力学、电学、光学及磁学性能引起了全球科学家的广泛关注，人们对碳纳米管的合成、结构、性能和应用等进行了广泛而深入的研究。到目前为止，人们已发展了多种合成碳纳米管的方法。包括电弧法(S.IijimaNature 354(1991)56)、激光烧蚀法(S.Iijima，et al.，J.Phys.Chem.100(1996)5839)、催化裂解法(B H Liu，et al.，Chem.Phys.Lett.358(2002)96)、催化化学气相沉积法(K Matsui，et al.，J.Phys.Chem.B，105(2001)5682)及热分解有机金属化合物法(H Kim，et al.，Carbon，43(2005)1743.Y Lu，et al.，Carbon 43(2005)369)等。电弧法和激光烧蚀法的特点是能合成较纯的碳纳米管，但其合成温度一般超过1200℃甚至高达4000℃以上，而且产量较低，大量生产受到限制。催化裂解法、催化化学气相沉积法及热分解有机金属化合物法是目前制备碳纳米管应用较多且具前景的方法。其特点是合成温度一般在650～1200℃，可以大量地合成单壁、多壁碳纳米管。但这些方法仍存在其不足之处，例如目前文献中常以乙炔(C2H2)(Appl Phys Lett 1998；72：3282-4.)、苯(C6H6)(Chem Mater2002；14：3990-4.)、噻吩(C4H4S)(Chem Phys Lett 1999；307：158-62；Carbon 2005；43：1550-5.)及C60(Appl Phys Lett 1999；75：3363-5.)等作为碳原料，在各种催化剂载体负载的铁系金属催化剂上沉积合成大量碳纳米管，但产物中常含有较多其它形态的碳，纯度不够高，且所采用的原料如乙炔(C2H2)、苯(C6H6)、噻吩(C4H4S)及C60等不仅价格昂贵且有的是剧毒物质，高成本及生产安全受到一定的限制。比较难以实现碳纳米的优质、批量、价廉、安全地合成，严重阻碍了碳纳米的生产应用。
发明内容
本发明提供了一种高纯度多壁碳纳米管的制备方法，具体地说是在一种温和条件下(温度1000℃、无毒害、安全)，以活性炭为原料，二茂铁为催化剂，采用热化学气相沉积法高纯度合成碳纳米管的方法。目的是要解决目前采用催化裂解法、催化化学气相沉积法及热分解有机金属化合物法等方法中存在的技术问题：(I)采用的碳原料噻吩(C4H4S)及C60等价格昂贵；(II)采用的碳源料苯(C6H6)有剧毒；(III)需要特殊制备系统及生产安全的技术问题。
解决问题的技术方案是：采用在温和条件下的热化学气相沉积法，以活性炭为原材料，二茂铁为催化剂，反应温度为1000℃，N2气氛保护下制备高纯度多壁碳纳米管的方法。
具体步骤：
步骤1将活性炭与二茂铁按1∶2质量比例混合，研磨均匀；
步骤2将步骤1所得混合物平铺于坩埚中，放入管式加热炉中的恒温区；
步骤3在氮气流量为100～300ml/min气氛保护下，将炉温以15℃/min的速度升温到1000℃，在该温度下反应3h，在氮气气氛下冷却至25℃，得到高纯度多壁碳纳米管。
本发明与已有技术相比所具有的有益效果如下：1.制备过程和设备简单，安全易操作：小批量制备所需的设备在实验室即可满足，如需大批量制备，也很容易实现；2.多壁碳纳米管的制备采用活性碳为碳原料，成本低廉，无毒害；3.采用二茂铁为催化剂，二茂铁一方面提供了生长碳纳米管所需的催化剂Fe，另一方面提供了碳源；4.制备的多壁碳纳米管纯度高，管径大小均匀，内径15～25nm，外径40～60nm，长度达数百纳米至微米级。碳纳米管表面光滑，无需做进一步的纯化处理便可直接应用于研制微波吸收剂及增强复合材料等。
附图说明
图1是实施方式一采用本发明制备的多壁碳纳米管的典型透射电镜照片；
图2是实施方式一采用本发明制备的多壁碳纳米管的局部放大透射电镜照片(碳管壁层间距为0.34nm)；
图3是实施方式二采用本发明制备的碳纳米管的典型透射电镜照片；
图4是实施方式二采用本发明制备的碳纳米管的局部放大透射电镜照片(碳管壁层间距为0.34nm)；
具体实施方式
实施例一
步骤1将1.5g活性炭与3g二茂铁混合，研磨均匀；
步骤2将步骤1所得混合物平铺于石英坩埚中，放入管式加热炉中的恒温区；
步骤3在氮气流量为300ml/min气氛保护下，将炉温以15℃/min的速度升温到1000℃，在该温度下反应3h，在氮气气氛保护下冷却至25℃，得到多壁碳纳米管，产品产量为0.7g。
实施例二
步骤1和步骤2与实施例一相同；
步骤3在氮气流量为100ml/min气氛保护下，升温到1000℃，在该温度下反应3h，在氮气气氛保护下冷却至25℃，得到产物即是多壁碳纳米管，产品产量为0.5g。
实施例中，步骤1所得混合物还可平铺于碳化硅坩埚或刚玉坩埚中。
图1和图3分别是实施方式一和实施方式二采用本发明制备的多壁碳纳米管的典型透射电镜照片；从图中可以看出，制备的多壁碳纳米管纯度高，管径大小均匀，内径15～25nm，外径40～60nm，长度达数百纳米至微米级。从图2和图4观察到制备的多壁碳纳米管的碳管壁层间距为0.34mm。

Claims (1)

1.一种多壁碳纳米管的制备方法，其特征在于具体步骤如下：
步骤1、将活性炭与二茂铁按1∶2质量比例混合，研磨均匀；
步骤2、将步骤1所得混合物平铺于坩埚中，放入管式加热炉中的恒温区；
步骤3、在氮气流量为100～300ml/min气氛保护下，将炉温以15℃/min的速度升温到1000℃，在该温度下反应3h，在氮气气氛下冷却至25℃，得到多壁碳纳米管。
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