CN101624184A - 一种限域稳定扩散火焰制备碳纳米管的方法 - Google Patents
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Abstract
一种限域稳定扩散火焰制备碳纳米管的方法，属于纳米材料制备技术领域。其特征在于：配制过渡金属盐乙醇溶液，涂敷到基底上，自然干燥后将基底放到已经插到灯芯中的支架上；点燃火焰，盖上火焰稳定罩，获得限域稳定扩散火焰；基底在其中停留1－30分钟，之后熄灭火焰，可得到碳纳米管。该方法具有设备简单、工艺简单的特点，由于限域稳定扩散火焰的稳定性好，使制备碳纳米管的重复性和一致性明显提高，有望实现产业化。
Description
技术领域
本发明涉及一种制备碳纳米管的方法，特别涉及一种利用限域稳定扩散火焰制备碳纳米管的方法。
背景技术
碳纳米管是一种由碳元素构成的一维管状结构，可看成是由石墨层卷成的无缝空心管，按石墨层数的不同可分为单壁碳纳米管、双壁碳纳米管和多壁碳纳米管。1991年，日本人饭岛首先在透射电镜中观察电弧放电制备的样品中发现了碳纳米管，并对碳纳米管的晶体结构进行了表征。
由于碳纳米管具有许多独特的力学、电学、热学等性质，如碳纳米管具有极高的杨氏模量，而密度很小；具有弹道输运特性，库仑阻塞效应，AB效应]等，以及良好的场发射性能；具有良好导热性能；以及良好的储氢特性等，具有广泛的应用前景，因此，近十几年来，关于碳纳米管的制备、特性及应用研究一直是人们的研究的热点领域。
碳纳米管最初是在电弧放电法制备的样品中发现的，之后发展了很多的制备方法，如激光闪蒸法和化学气相沉积法等，这些制备方法被广泛的研究，使之成为制备碳纳米管的常规方法，特别是电弧放电法和化学气相沉积法。
除了这些常的制备方法外，还发展了一些新颖的制备方法。Randall L.Vander Wal等人在J.Phys.Chem.B(2001，vol.105，pp.10249-10256)上报道利用扩散火焰法制备出了单壁碳纳米秋、多壁碳纳米管及碳纳米纤维。Randall L.Vander Wal等的结果表明：利用Ni作为催化剂，利用乙炔和氢气作为碳源通常制备出的是多壁碳纳米管，乙炔/氢气/氦气作为碳源通常制备出的是碳纳米纤维。
在Randall L.Vander Wal等实验中，所采用的碳源基本上都是气体，如一氧化碳、乙炔等，所采用的催化剂是铁或镍，制备催化剂的方法是热蒸发金属粉末或是利用金属茂合物蒸汽在火焰中分解。
同时，美国肯塔基大学的Saito Kozot等人在Chem.Phys.Lett.(2001，vol.340，pp.237-241)上报道用甲烷/空气火焰，在Ni-Cr合金丝上得到直径为20-60nm的多壁碳纳米管。如果将铬、镍氧化物沉积在不锈钢网格表面，然后将不锈钢网格放入乙烯火焰中，可得到纠缠在一起弯曲的多壁碳纳米管，当火焰中加入氮气后，碳纳米管变直，并且形成取向阵列。
利用液态碳源，如乙醇火焰，将不锈钢基底机械抛光成镜面，然后利用纯硝酸或盐酸腐蚀很短的时间(一般为数十秒)，然后将抛光的一面朝下放到火焰中心来制备碳纳米管，《J.Mater.Sci.Lett.》杂志2002年第21卷1207-1209页报道了此方法。
与传统的碳纳米管制备方法，如电弧放电法，化学气相沉积法等相比，火焰法具有很多特点。首先，火焰法是制备碳纳米管有效方法，可以大量制备；其次，火焰法装置比较简单，制备工艺也比较简单。还有，可以选择多种可燃的碳氢化合物做为燃料和碳源等。
然而，上述火焰法制备碳纳米管也存在一定的问题，特别是采用液态燃料时，扩散火焰在燃烧的过程中很难保持比较稳定的状态，在制备过程，火焰会摆动、跳跃，火焰的这种不稳定性对制备的产物有较大影响，会使产物出现多种形貌，重复性比较差，不利于火焰法的实际应用。
发明内容
本发明的目在于克服现有火焰法的不足，提供一种限域稳定扩散火焰制备碳纳米管的方法。该方法可以利用限域在火焰稳定罩内的稳定扩散火焰提供制备碳纳米管所需的能量和碳源，利用过渡金属盐作为催化剂先体，在稳定扩散火焰内沉积碳纳米管，采用原料成本低廉，反应时间比较短，而且对环境没有污染。
本发明通过以下技术方案实现：
(1)将过渡金属盐溶解到乙醇中，配成溶液；
(2)将上述溶液涂敷到基底上，并自然干燥；
(3)将步骤(2)的干燥的基底，放到酒精灯头内的支架上；
(4)点燃酒精灯，并将火焰稳定罩覆盖在酒精灯头上；燃烧1-30分钟，熄灭酒精灯，得到碳纳米管。
在上述的方法中，所述的过渡金属盐为过渡金属铁、钴、镍的可溶性盐的任意一种；所述的基底为铜片或不锈钢片。
附图说明
图1是本发明所述的限域稳定扩散火焰制备碳纳米管的装置平面模型图。
图2是本发明所述的限域稳定扩散火焰制备碳纳米管的装置立体模型图。
图3是本发明所述的限域稳定扩散火焰制备碳纳米管的装置立体结构分解图。
图4是实施例1制备的碳纳米管的扫描电子显微镜照片。
图5是实施例1制备的碳纳米管的透射电子显微镜照片。
图1的说明如下：
(1)-火焰稳定罩，(2)-支撑环，(3)-基底，(4)-支架，(5)-酒精灯。
具体实施方式
将硝酸铁、硝酸镍、硝酸钴、氯化铁、氯化镍或氯化钴溶于无水乙醇中，配成浓度为0.01mol/l～1mol/l的催化剂先体溶液，将催化剂先体溶液涂敷到洁净的铜或不锈钢基底上，自然干燥；将支架插到酒精灯芯中，将干燥的基底放到支架上，套上支撑环，点燃盛有甲醇、乙醇或丙酮的酒精灯，盖上火焰稳定罩，燃烧1～30分钟，熄灭火焰，即可得到碳纳米管。以下为采用本发明制备碳纳米管的实施例。
实施例1
取0.29g分析纯硝酸镍溶于10ml无水乙醇中，形成0.1mol/l硝酸镍溶液并涂敷到洁净的铜基底上，自然干燥。将支架插入酒精灯灯芯中，将干燥的铜基底放到支架上，套上支撑环，点燃盛有乙醇的酒精灯，盖上火焰稳定罩，燃烧10分钟，熄灭火焰，得到产物。产物的形貌用扫描电子显微镜进行了表征，从图4可以看出其形貌为纤维状，形貌单一，直径约40-50nm；图5显示：在高分辨透射电子显微镜下看到其为晶格呈鱼骨状排列的多壁碳米管。
实施例2
取0.29g分析纯硝酸镍溶于10ml无水乙醇中，形成0.1mol/l硝酸镍溶液并涂敷到洁净的铜基底上，自然干燥。将支架插入酒精灯灯芯中，将干燥的铜基底放到支架上，套上支撑环，点燃盛有甲醇的酒精灯，盖上火焰稳定罩，燃烧10分钟，熄灭火焰，得到碳纳米管。
实施例3
取0.29g分析纯硝酸镍溶于10ml无水乙醇中，形成0.1mol/l硝酸镍溶液并涂敷到洁净的铜基底上，自然干燥。将支架插入酒精灯灯芯中，将干燥的铜基底放到支架上，套上支撑环，点燃盛有丙酮的酒精灯，盖上火焰稳定罩，燃烧10分钟，熄灭火焰，得到碳纳米管。
Claims (4)
1.一种限域稳定扩散火焰制备碳纳米管的方法，其特征在于包括下列步骤：
(1)将过渡金属盐溶解到无水乙醇中，配成催化剂先体溶液；
(2)将步骤(1)中的溶液涂敷到基底上，自然晾干；
(3)将步骤(2)中的基底放到酒精灯头上的支架上；
(4)点燃步骤(3)中的酒精灯，并盖上火焰稳定罩，获得限域稳定扩散火焰；
(5)反应1-30分钟，熄灭火焰，得到黑色沉积物，即得碳纳米管。
2.按权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的过渡金属盐为过渡金属铁、钴、镍的可溶性盐。
3.按权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的火焰稳定罩是由金属制成的、帽形、网状结构，也可以是由多层帽形网状结构叠加而成的结构。
4.按权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的限域稳定扩散火焰为含碳、氢或碳、氢、氧的可燃液体形成的限域稳定扩散火焰。
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