CN101412509B - 一种纳米碳管团簇粉体及制备方法 - Google Patents

一种纳米碳管团簇粉体及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种纳米碳管团簇粉体及制备方法。现有方法过程繁杂，制备效率不高。本发明的粉体由无序分散的纳米碳管团簇构成，每个纳米碳管团簇包括微米级的片状基底，基底的两面的纳米碳管生长方向相同，与基底平面基本垂直，相邻的纳米碳管间具有间隙。具体制备方法是首先将基底材料与催化剂硝酸溶液混合，得到基底块；然后将基底块研磨，得到分散的含催化剂薄膜的基底片状粉末；再将基底片状粉末置于石英管内，加热至700℃～900℃，通入N2、NH3和C2H2，保持10～120分钟，冷却取出。本发明的粉体具有宏观无序性、微观定向性，直径均匀，直径大，管壁薄，内径大，适用于作为催化剂和其它物质的载体。

Description

一种纳米碳管团簇粉体及制备方法
技术领域
本发明属于材料技术领域，涉及一种纳米碳管团簇粉体及其制备方法，该种材料是由微米级具有取向特征的纳米碳管团簇组成的集合体。这种纳米碳管粉体在作为电极材料及催化剂载体材料上具有重要的使用价值。
背景技术
纳米碳管是20世纪90年代发现的一种新材料，是一维结构材料与纳米材料的典型代表，纳米碳管在电极材料及催化剂载体材料上具有重要的使用价值。目前，已报道高效制备纳米碳管的方法，但该法制备的纳米碳管成束生长，纳米碳管之间紧密结合，其它物质，甚至连水都很难进入到纳米碳管束之间。因此，这些纳米碳管束在应用前经常需要分散。而制备分散的纳米碳管时，制备效率非常低。另外，制备定向纳米碳管也一直是研究的热点之一，但其制备经常采用大基片，过程繁杂，制备效率不高。其主要通过溅射法制备催化剂薄膜的制备后，通过气相沉积的方法制备得到，其制备成本高。采用一种简单的方法在微观上制备一种取向纳米碳管，其之间的结合不象纳米碳管束之间的结合那么好，从而不需要再用后继步骤进行分散是本发明的主要特点。
发明内容
本发明在于提供一种关于一种微米量级上具有取向特征的纳米碳管团簇及该团簇的制备技术。
本发明的纳米碳管团簇粉体由无序分散的纳米碳管团簇构成，每个纳米碳管团簇包括片状的基底，基底的两面分别生长有由纳米碳管构成的纳米碳管丛，每一面的纳米碳管丛中的纳米碳管生长方向相同，且与基底平面基本垂直，纳米碳管丛中相邻的纳米碳管间具有间隙；纳米碳管直径为10～100nm；基底的材料为片状SiO2粉、Al2O3粉、MgO粉、Si粉、TiO2粉中的一种，基底最大径线为1～50μm。
该纳米碳管团簇粉体的制备方法：
1、将基底材料与催化剂硝酸溶液混合至所有催化剂硝酸溶液粘附在基底材料表面而没有多余流动的催化剂硝酸溶液；在500℃～800℃下保温10～60分钟得到基底块；所述的基底的材料为片状SiO2粉、Al2O3粉、MgO粉、Si粉、TiO2粉中的一种；所述的催化剂硝酸溶液为Fe(NO3)3溶液、Ni(NO3)2溶液、Co(NO3)2溶液中的一种，浓度为0.5～3mol/L；
2、将基底块研磨，得到分散的含催化剂薄膜的基底片状粉末；
3、将石英管加热至700℃～900℃，并用N2排空，然后将基底片状粉末置于石英管内，继续将石英管加热至700℃～900℃，通入N2、NH3和C2H2，保持10～120分钟，其中N2气流为50～200ml/min、NH3气流为100～500ml/min、C2H2气流为20～60ml/min；
4、在N2的保护下冷却到常温后取出，得到具有宏观无序性、微观定向性的纳米碳管团簇粉体。
本发明在微米级的基底上生长的纳米碳管，粉体之间的纳米碳管虽然无序，但生长期每个基底上的纳米碳管具有良好的取向性。同时，该种纳米碳管直径均匀，直径大，管壁薄，内径大，适用于作为催化剂和其它物质的载体。
附图说明
图1为本发明的纳米碳管团簇低倍SEM图；
图2为本发明的纳米碳管团簇高倍SEM图；
图3为本发明的纳米碳管团簇中纳米碳管的TEM图。
具体实施方式
本发明的纳米碳管团簇粉体如图1、2和3所示。图1是制备的纳米碳管团簇低倍SEM图，显示了纳米碳管团簇粉体由无序分散的纳米碳管团簇1构成，团簇之间宏观无序性。图2是制备的纳米碳管高倍SEM图，显示了每个纳米碳管团簇包括片状的基底2，基底2的两面分别生长有由纳米碳管3构成的纳米碳管丛，每一面的纳米碳管丛中的纳米碳管3生长方向相同，且与基底平面基本垂直，团簇中的纳米碳管具有微观取向性。图3是团簇中纳米碳管的TEM图，显示了纳米碳管丛中相邻的纳米碳管3之间具有间隙。
构成该纳米碳管团簇粉体的纳米碳管团簇的纳米碳管3直径为10～100nm；基底2的材料为片状SiO2粉、Al2O3粉、MgO粉、Si粉、TiO2粉中的一种，基底2最大径线为1～50μm。
对于不同的基底的材料以及催化剂硝酸溶液，通过以下具体制备方法对本发明做进一步说明。
实施例1：
配制0.5mol/l的Fe(NO3)3水溶液，量取10ml后与15g的SiO2粉混合均匀，在马福炉中500℃烘烤60分钟，研磨后作为催化剂。
炉子升温至900℃并用N2排空。把催化剂置于石英舟中，推入反应区，等温度再次到达900℃并保持恒温时，通入流速分别为100cm3/min、300cm3/min、40cm3/min的N2、NH3和C2H2的混合气。保持10分钟后，在N2的保护下冷却到室温后取出，得到具有微观定向性的纳米碳管团簇粉体。
实施例2：
配制1.2mol/l的Co(NO3)2水溶液，量取10ml后与15g的Si粉混合均匀，在马福炉中800℃烘烤10分钟，研磨后作为催化剂。
炉子升温至800℃并用N2排空。把催化剂置于石英舟中，推入反应区，等温度再次到达800℃并保持恒温时，通入流速分别为50cm3/min、100cm3/min、20cm3/min的N2、NH3和C2H2的混合气。保持60分钟后，在N2的保护下冷却到室温后取出，得到具有微观定向性的纳米碳管团簇粉体。
实施例3：
配制3mol/l的Ni(NO3)2水溶液，量取10ml后与15g的Al2O3粉混合均匀，在马福炉中600℃烘烤40分钟，研磨后作为催化剂。
炉子升温至700℃并用N2排空。把催化剂置于石英舟中，推入反应区， 等温度再次到达700℃并保持恒温时，通入流速分别为200cm3/min、500cm3/min、60cm3/min的N2、NH3和C2H2的混合气。保持120分钟后，在N2的保护下冷却到室温后取出，得到具有微观定向性的纳米碳管团簇粉体。
实施例4：
配制1mol/l的Fe(NO3)3水溶液，量取10ml后与17g的TiO2粉混合均匀，在马福炉中700℃烘烤25分钟，研磨后作为催化剂。
炉子升温至750℃并用N2排空。把催化剂置于石英舟中，推入反应区，等温度再次到达750℃并保持恒温时，通入流速分别为150cm3/min、400cm3/min、50cm3/min的N2、NH3和C2H2的混合气。保持100分钟后，在N2的保护下冷却到室温后取出，得到具有微观定向性的纳米碳管团簇粉体。
实施例5：
配制0.8mol/l的Fe(NO3)3水溶液，量取10ml后与13g的MgO粉混合均匀，在马福炉中600℃烘烤45分钟，研磨后作为催化剂。
炉子升温至800℃并用N2排空。把催化剂置于石英舟中，推入反应区，等温度再次到达800℃并保持恒温时，通入流速分别为100cm3/min、300cm3/min、30cm3/min的N2、NH3和C2H2的混合气。保持60分钟后，在N2的保护下冷却到室温后取出，得到具有微观定向性的纳米碳管团簇粉体。

Claims (2)

1.一种纳米碳管团簇粉体，由无序分散的纳米碳管团簇构成，其特征在于：每个纳米碳管团簇包括片状的基底，基底的两面分别生长有由纳米碳管构成的纳米碳管丛，每一面的纳米碳管丛中的纳米碳管生长方向相同，且与基底平面基本垂直，纳米碳管丛中相邻的纳米碳管间具有间隙；
所述的纳米碳管直径为10～100nm；
所述的基底的材料为片状SiO2粉、Al2O3粉、MgO粉、Si粉、TiO2粉中的一种，基底最大径线为1～50μm。
2.制备纳米碳管团簇粉体的方法，其特征在于该方法的具体步骤是：
(1)将基底材料与催化剂硝酸溶液混合至所有催化剂硝酸溶液粘附在基底材料表面而没有多余流动的催化剂硝酸溶液；在500℃～800℃下保温10～60分钟得到基底块；所述的基底的材料为片状SiO2粉、Al2O3粉、MgO粉、Si粉、TiO2粉中的一种；所述的催化剂硝酸溶液为Fe(NO3)3溶液、Ni(NO3)2溶液、Co(NO3)2溶液中的一种，浓度为0.5～3mol/L；
(2)将基底块研磨，得到分散的含催化剂薄膜的基底片状粉末；
(3)将石英管加热至700℃～900℃，并用N2排空，然后将基底片状粉末置于石英管内，继续将石英管加热至700℃～900℃，通入N2、NH3和C2H2，保持10～120分钟，其中N2气流为50～200ml/min、NH3气流为100～500ml/min、C2H2气流为20～60ml/min；
(4)在N2的保护下冷却到常温后取出，得到具有宏观无序性、微观定向性的纳米碳管团簇粉体。
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