CN101254913A - 一种水热法制备碳纳米管或棒的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种水热法制备碳纳米管或棒的方法，包括如下步骤：(1)将蔗糖或葡萄糖溶解在不挥发酸水溶液中，充分搅拌；(2)将步骤(1)制成的溶液转移到水热反应釜中，100～240℃进行水热反应2－24小时，自然冷却至室温，经分离，洗涤和干燥后得到碳纳米管或棒。本发明的方法具有反应条件温和，工艺简单的特点，制备的碳纳米管不缠绕，非常直，分散性好且具有良好的重现性。本发明的碳纳米管或棒作为化学反应原料，催化剂载体，电化学储能，微电子学方面具有广泛应用前景。

Description

一种水热法制备碳纳米管或棒的方法
技术领域
本发明涉及一种碳纳米管或棒的合成方法，特别是涉及一种水热法制备碳纳米管或棒的方法。
背景技术
自1991年Iijima发现碳纳米管以来[1]，就因其独特的结构和潜在的优越性能，决定了它无论在物理、化学还是材料科学领域都将有重大的发展前景。
碳纳米管是由类似石墨的六边形网格所组成的管状物，管子一般可由一层或多层组成，直径在几纳米到几十纳米之间，长度可达数微米，它的层片间距为0.34nm，比石墨的层片间距(0.335nm)稍大。碳纳米管具有优异的场发射性能等特性。碳纳米管的尖端具有纳米尺度的曲率半径，在相对较低的电压下就能够发射大量的电子，而且还具有极好的化学稳定性和机械强度，是一种优良的场致发射材料，可用于制作平面显示装置。利用碳纳米管取代活性炭作为超级电容器的电极材料，可取得高的比电容。同时碳纳米管具有超强的抗拉强度和韧性等等力学性能，优良的导体和半导体特性，高的比表面积，强的吸附性能在吸波功能材料、复合材料、场致发射器件、微型器件等方面具有广泛的应用前景。
目前制备碳纳米管的方法主要为三种[2，3，4]：石墨电弧法，催化热解法(又称CVD法)，激光烧蚀法。电弧法是利用石墨电极放电，使固体碳源蒸发并进行结构重排获得碳纳米管的方法。电弧法在制备碳纳米管的过程中通过改变电弧放电条件(电极间电压，电流)、催化剂、电极相对尺寸、极间距以及原料配比等方法来制备碳纳米管。电弧法得到的碳纳米管直，但电弧放电过程难以控制，制备成本高，其规模生产还需进一步探索。激光烧蚀法是以强激光束照射含有金属催化剂的石墨靶，利用高能量的激光在石墨表面产生高温，使碳原子蒸发并产生结构重构，获得碳纳米管的方法。得到的碳纳米管杂质较少，易于提纯，但需要复杂昂贵的设备，能耗大、产量小，限制了它的广泛应用。CVD法以纳米尺度的金属或其合金、化合物作催化剂，在相对低的温度下热解含碳的气体制备碳纳米管的方法。设备和工艺较简单，可大规模生产，但制出的碳纳米管相互缠绕且缺陷较多。
水热合成无机纳米材料具有反应条件温和，操作简便等优点，现在已经被广泛使用在纳米氧化物，硫化物的合成。文献[5]报道了用葡萄糖作为原料在水热合成条件下合成碳微球的方法。文献[6]报道报道了在水热合成条件下以蔗糖为碳源合成碳微球的方法。但是到目前为止，以葡萄糖或者蔗糖为原料，利用水热反应合成碳纳米管或棒的文献和专利还未见公开报道。
主要参考文献：
[1]S.Iijima，Nature，1991，354：56-58.
[2]X Sun，WR Bao，YK Lv et al，Materials Letters，2007，61(18)：3956-3958.
[3]G.Gulino，R.Vieira，J.Amadouet al，Applied Catalysis A：General，2005.279(1-2)：89-97.
[4]N.Braidy，M.A.El Khakani，G..A.Botton，Carbon，2002，40(15)：2835-2842.
[5]X.M.Sun，Y.D.Li，Angew Chem Int Ed，2004，43(5)：597-601.
[6]Q.Wang，H.Li，L.Q.Chen et al.Carbon，2001，39：2211-2214.
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种水热法制备碳纳米管或棒的方法。
本发明的技术方案概述如下：
一种水热法制备碳纳米管或棒的方法，包括如下步骤：
(1)将蔗糖或葡萄糖溶解在2～10mol/L的不挥发酸水溶液中，制成质量百分浓度为1％-60％的溶液，充分搅拌；
(2)将步骤(1)制成的溶液转移到水热反应釜中，100～240℃进行水热反应2-24小时，自然冷却至室温，经分离，洗涤和干燥后得到碳纳米管或棒。
所述蔗糖或葡萄糖的不挥发性酸水溶液的质量百分浓度为5％-40％。
所述不挥发性酸为硫酸或磷酸或任意摩尔比的硫酸和磷酸混合溶液。
本发明的一种水热法制备碳纳米管或棒的方法，以蔗糖或者葡萄糖作为碳源，在硫酸或者磷酸的酸性溶液中，首次采用水热法制备出碳纳米管或棒。本发明的方法具有反应条件温和，工艺简单的特点，制备的碳纳米管不缠绕，非常直，分散性好且具有良好的重现性。本发明的碳纳米管或棒作为化学反应原料，催化剂载体，电化学储能，微电子学方面具有广泛应用前景。
附图说明
图1是本发明的方法制备的碳纳米管的TEM图；
图2是本发明的方法制备的碳纳米棒的TEM图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明。
实施例1
将1克蔗糖溶解在事先配置好的19克6mol/L的H2SO4的溶液中，在室温下充分搅拌形成5％的蔗糖酸性溶液后，转移到水热反应釜中，于180℃下水热反应12小时，然后自然冷却至室温，离心分离和去离子水反复洗涤后干燥即可得到管径40-50nm的碳纳米管，长1～2μm。
实施例2
将8g蔗糖溶解在事先配置好的12克7mol/L的H2SO4的溶液中，在室温下充分搅拌形成40％的蔗糖酸性溶液后，转移到水热反应釜中，于150℃下水热反应5小时，然后自然冷却至室温，离心分离和去离子水反复洗涤后干燥即可得到直径30-50nm的碳纳米棒，长1～2μm。
实施例3
将2克蔗糖溶解在事先配置好的18克3mol/L的H3PO4的溶液中，在室温下充分搅拌形成10％的蔗糖酸性溶液后，转移到水热反应釜中，于220℃下水热反应24小时，然后自然冷却至室温，离心分离和去离子水反复洗涤后干燥即可得到直径20-50nm的碳纳米棒，长0.5～2μm。
实施例4
将0.4克蔗糖溶解在事先配置好的9.6克2mol/L的H3PO4和10克3mol/L的H2SO4溶液中，在室温下充分搅拌形成2％的蔗糖酸性溶液后，转移到水热反应釜中，于180℃下水热反应19小时，然后自然冷却至室温，离心分离和去离子水反复洗涤后干燥即可得到直径20-50nm的碳纳米棒，长0.5～2μm。
实施例5
将0.2克葡萄糖溶解在事先配置好的19.8克10mol/L的H3PO4溶液中，在室温下充分搅拌形成1％的葡萄糖酸性溶液后，转移到水热反应釜中，于240℃下水热反应2小时，然后自然冷却至室温，离心分离和去离子水反复洗涤后干燥即可得到碳纳米管。
实施例6
将12克葡萄糖溶解在事先配置好的4克3mol/L的H3PO4和4克2mol/L的H2SO4溶液中，在室温下充分搅拌形成60％的葡萄糖酸性溶液后，转移到水热反应釜中，于100℃下水热反应10小时，然后自然冷却至室温，离心分离和去离子水反复洗涤后干燥即可得到碳纳米棒。
实施例7
将2克葡萄糖溶解在事先配置好的18克2mol/L的H2SO4溶液中，在室温下充分搅拌形成10％的葡萄糖酸性溶液后，转移到水热反应釜中，于100℃下水热反应10小时，然后自然冷却至室温，离心分离和去离子水反复洗涤后干燥即可得到碳纳米棒。

Claims (3)

1.一种水热法制备碳纳米管或棒的方法，其特征是包括如下步骤：
(1)将蔗糖或葡萄糖溶解在2～10mol/L的不挥发酸水溶液中，制成质量百分浓度为1％-60％的溶液，充分搅拌；
(2)将步骤(1)制成的溶液转移到水热反应釜中，100～240℃进行水热反应2-24小时，自然冷却至室温，经分离，洗涤和干燥后得到碳纳米管或棒。
2.根据权利要求1所述的一种水热法制备碳纳米管或棒的方法，其特征在于所述蔗糖或葡萄糖的不挥发性酸水溶液的质量百分浓度为5％-40％。
3.根据权利要求1所述的一种水热法制备碳纳米管或棒的方法，其特征在于所述不挥发性酸为硫酸或磷酸或任意摩尔比的硫酸和磷酸混合溶液。
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