CN102849725B - 一种利用葵花籽皮制备碳纳米管的方法 - Google Patents

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Abstract

一种利用葵花籽皮制备碳纳米管的方法，涉及制备碳纳米管的方法的领域。本发明是要解决现有的制备碳纳米管的方法原料成本高，实验条件苛刻和耗能高，制备得到的碳纳管的比电容小于85F/g的问题。一种利用葵花籽皮制备碳纳米管的方法为：一、葵花籽皮的碳化；二、碳化产品的纯化。本发明提供了一种利用葵花籽皮制备碳纳米管的方法，具有设备简单，原材料成本低廉，原材料来源广泛，实验条件易达成和耗能低的优点，制备得到的碳纳米管的比电容可以达到110F/g。本发明提供的一种利用葵花籽皮制备碳纳米管的方法应用于储存氢气、纳米尺度的导线、电容器和碳纳米管增强复合材料领域。

Description

一种利用葵花籽皮制备碳纳米管的方法
技术领域
本发明涉及制备碳纳米管的方法的领域。
背景技术
碳纳米管自身重量轻，具有中空的结构，可以作为储存氢气的优良容器，储存的氢气密度甚至比液态或固态氢气的密度还高。适当加热，氢气就可以慢慢释放出来。研究人员正在试图用碳纳米管制作轻便的可携带式的储氢容器。
在碳纳米管的内部可以填充金属、氧化物等物质，这样碳纳米管可以作为模具，首先用金属等物质灌满碳纳米管，再把碳层腐蚀掉，就可以制备出最细的纳米尺度的导线，有些碳纳米管本身还可以作为纳米尺度的导线。这样利用碳纳米管或者相关技术制备的微型导线可以置于硅芯片上，用来生产更加复杂的电路，在未来的分子电子学器件或纳米电子学器件中得到应用。
利用碳纳米管的性质可以制作出很多性能优异的复合材料。例如用碳纳米管材料增强的塑料力学性能优良、导电性好、耐腐蚀、屏蔽无线电波。使用水泥做基体的碳纳米管复合材料耐冲击性好、防静电、耐磨损、稳定性高，不易对环境造成影响。碳纳米管增强陶瓷复合材料强度高，抗冲击性能好。碳纳米管上由于存在五元环的缺陷，增强了反应活性，在高温和其他物质存在的条件下，碳纳米管容易在端面处打开，形成一个管子，极易被金属浸润、和金属形成金属基复合材料。这样的材料强度高、模量高、耐高温、热膨胀系数小、抵抗热变性能强。
目前的制备方法主要有电弧放电法、激光烧蚀法、固相热解法和离子或激光溅射法。但是这些方法的实验要求高，包括高温、高压、高耗能和生产规模的限制等实验条件，大大增加了实验成本，同时，现有方法制备得到的碳纳米管的比电容性能不高（小于85F/g），影响了其在电容器上的需求。
发明内容
本发明是要解决现有的制备碳纳米管的方法原料成本高，实验条件苛刻和耗能高，制备得到的碳纳米管的比电容小于85F/g的问题，而提供了一种利用葵花籽皮制备碳纳米管的方法。
一种利用葵花籽皮制备碳纳米管的方法，具体是按以下步骤进行的：
一、将放有葵花籽皮的石英管放置于高温管式电阻炉中，石英管的一端连通大气，在石英管的另一端采用氮气瓶以300mL/min~500mL/min的速率向石英管中通入氮气0.5h~1.5h，在氮气瓶与管式炉中间连有保护瓶，然后，停止通入氮气并将通氮气端和连通大气的一端密封，将葵花籽皮以5℃/min~15℃/min的升温速率，从室温升到400℃~1200℃，然后恒温2h~4h，然后自然冷却至室温，即得到碳化后的固体；
二、将经步骤一碳化后的固体用研钵研磨10min~30min，然后，向研磨后的固体中加入1mol/L~4mol/L硝酸，以20kHz~40kHz超声20min~40min，过滤，将得到的固体用蒸馏水洗2~5次后，在35℃~45℃的条件下干燥至恒重，即得到碳纳米管；其中，硝酸的体积与研磨后的固体的质量的比为（50mL~100mL）:1g。
本发明提供了一种利用葵花籽皮制备碳纳米管的方法，设备简单，原材料成本低廉，原材料来源广泛，实验条件易达成和耗能低，制备得到的碳纳米管的比电容可以达到110F/g。
附图说明
图1为试验一制备得到的碳纳米管Ⅰ的透射电子显微镜图。
图2为试验一制备得到的涂有碳纳米管Ⅰ的泡沫镍薄片的快速循环伏安图。
图3为试验一制备得到的涂有碳纳米管Ⅰ的泡沫镍薄片进行交流阻抗图。
图4为试验二制备得到的涂有碳纳米管Ⅱ的泡沫镍薄片的快速循环伏安图。
图5为试验二制备得到的涂有碳纳米管Ⅱ的泡沫镍薄片进行交流阻抗图。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。
具体实施方式一：一种利用葵花籽皮制备碳纳米管的方法，具体是按以下步骤进行的：
一、将放有葵花籽皮的石英管放置于高温管式电阻炉中，石英管的一端连通大气，在石英管的另一端采用氮气瓶以300mL/min~500mL/min的速率向石英管中通入氮气0.5h~1.5h，在氮气瓶与管式炉中间连有保护瓶，然后，停止通入氮气并将通氮气端和连通大气的一端密封，将葵花籽皮以5℃/min~15℃/min的升温速率，从室温升到400℃~1200℃，然后恒温2h~4h，然后自然冷却至室温，即得到碳化后的固体；
二、将经步骤一碳化后的固体用研钵研磨10min~30min，然后，向研磨后的固体中加入1mol/L~4mol/L硝酸，以20kHz~40kHz超声20min~40min，过滤，将得到的固体用蒸馏水洗2~5次后，在35℃~45℃的条件下干燥至恒重，即得到碳纳米管；其中，硝酸的体积与研磨后的固体的质量的比为（50mL~100mL）:1g。
本实施方式提供了一种利用葵花籽皮制备碳纳米管的方法，设备简单，原材料成本低廉，原材料来源广泛，实验条件易达成和耗能低，制备得到的碳纳米管的比电容可以达到110F/g。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤一所述的通入氮气的速率为400mL/min。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二的不同点是：步骤一所述中通氮气的时间为1h。其它与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一的不同点是：步骤一中所述的升温速率为10℃/min。其它与具体实施方式一至三相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一的不同点是：步骤一中所述的从室温升到600℃。其它与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一的不同点是：步骤一中所述的从室温升到800℃。其它与具体实施方式一至五相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一的不同点是：步骤一中所述的恒温时间为3h。其它与具体实施方式一至六相同。
采用下述试验验证本发明效果：
试验一：一种利用葵花籽皮制备碳纳米管的方法，具体是按以下步骤进行的：
一、将放有葵花籽皮样品的石英管放置于高温管式电阻炉中，石英管的一端连通大气，在石英管的另一端采用氮气瓶以400mL/min的速率向石英管中通入氮气1h，在氮气瓶与管式炉中间连有保护瓶，然后，停止通入氮气并将通氮气端和连通大气的一端密封，将葵花籽皮以10℃/min的升温速率，从室温升到600℃，然后恒温3h，然后自然冷却至室温，即得到碳化后的固体；
二、将经步骤一碳化后的固体用研钵研磨20min，然后向研磨后的固体中加入2mol/L硝酸，以30kHz超声30min，过滤，将得到的固体用蒸馏水洗3次后，在40℃下干燥至恒重，即得到碳纳米管Ⅰ；其中，硝酸的体积与研磨后的固体的质量的比为70mL:1g；
三、向0.02g试验一制备得到的碳纳米管Ⅰ中，加入0.05mL聚四氟乙烯乳液，混合均匀后，涂覆于1cmx4cm的泡沫镍片上，涂覆面积为1cmx1cm，然后，在50℃干燥24h，用压辊压成0.3mm厚的薄片，得到涂有碳纳米管Ⅰ的泡沫镍薄片。
将试验一制备得到的碳纳米管Ⅰ进行透射电子显微镜观察，可得到图1。图1为试验一制备得到的碳纳米管Ⅰ的透射电子显微镜图。从图1中可以清晰的观察到碳纳米管的结构。
将试验一制备得到的涂有碳纳米管Ⅰ的泡沫镍薄片作为工作电极，采用快速循环伏安法，用LK98BII微机电化学仪分析系统进行测试，其中，铂电极为辅助电极，AgCl/Ag电极为参比电极，电解液为6mol/L的KOH水溶液，可得到图2。图2为试验一制备得到的涂有碳纳米管Ⅰ的泡沫镍薄片的快速循环伏安图。从图2中可以得到，在扫描电势范围内没有出现法拉第氧化还原峰，图形近似于平行四边形，表现出电容器的特性。对试验一中步骤三的泡沫镍片和涂有碳纳米管Ⅰ的泡沫镍薄片分别进行称重，并根据循环伏安曲线可以计算得出试验一制备得到的碳纳米管Ⅰ的比电容值为113.34F/g。
将试验一制备得到的涂有碳纳米管Ⅰ的泡沫镍薄片进行交流阻抗测试，可得到图3。图3为试验一制备得到的涂有碳纳米管Ⅰ的泡沫镍薄片进行交流阻抗图。从图3中可以得到试验一制备得到的涂有碳纳米管Ⅰ的电阻为0.046Ω。
试验二：一种利用葵花籽皮制备碳纳米管的方法，具体是按以下步骤进行的：
一、将放有葵花籽皮样品的石英管放置于高温管式电阻炉中，石英管的一端连通大气，在石英管的另一端采用氮气瓶以400mL/min的速率向石英管中通入氮气1h，在氮气瓶与管式炉中间连有保护瓶，然后，停止通入氮气并将通氮气端和连通大气的一端密封，将葵花籽皮以10℃/min的升温速率，从室温升到800℃，然后恒温3h，然后自然冷却至室温，即得到碳化后的固体；
二、将经步骤一碳化后的固体用研钵研磨20min，然后，向研磨后的固体中加入2mol/L的硝酸，以30kHz超声30min，过滤，将得到的固体用蒸馏水洗3次后，在40℃的条件下干燥至恒重，即得到碳纳米管Ⅱ；其中，硝酸的体积与研磨后的固体的质量的比为70mL:1g；
三、向0.02g试验一制备得到的碳纳米管Ⅱ中，加入0.05mL聚四氟乙烯乳液，混合均匀后，涂抹于1cmx4cm的泡沫镍片上，涂覆面积为1cmx1cm，然后，在50℃干燥24h，用压辊压成0.3mm厚的薄片，得到涂有碳纳米管Ⅱ的泡沫镍薄片。
将试验二制备得到的涂有碳纳米管Ⅱ的泡沫镍薄片作为工作电极，采用快速循环伏安法，用LK98BII微机电化学仪分析系统进行测试，其中，铂电极为辅助电极，AgCl/Ag电极为参比电极，电解液为6mol/L的KOH水溶液，可得到图4。图4为试验二制备得到的涂有碳纳米管Ⅱ的泡沫镍薄片的快速循环伏安图。从图4中可以得到，在扫描电势范围内没有出现法拉第氧化还原峰，图形近似于平行四边形，表现出电容器的特性。对试验二中步骤三的泡沫镍片和涂有碳纳米管Ⅱ的泡沫镍薄片分别进行称重，并根据循环伏安曲线可以计算得出试验二制备得到的碳纳米管Ⅱ的比电容值为86.85F/g。
将试验二制备得到的涂有碳纳米管Ⅱ的泡沫镍薄片进行交流阻抗测试，可得到图5。图5为试验二制备得到的涂有碳纳米管Ⅱ的泡沫镍薄片进行交流阻抗图。从图5中可以得到试验一制备得到的涂有碳纳米管Ⅱ的电阻为0.0495Ω。

Claims (7)

1.一种利用葵花籽皮制备碳纳米管的方法，其特征在于利用葵花籽皮制备碳纳米管的方法，具体是按以下步骤进行的：
一、将放有葵花籽皮的石英管放置于高温管式电阻炉中，石英管的一端连通大气，在石英管的另一端采用氮气瓶以300mL/min～500mL/min的速率向石英管中通入氮气0.5h～1.5h，在氮气瓶与管式炉中间连有保护瓶，然后，停止通入氮气并将石英管的两端密封，将葵花籽皮以5℃/min～15℃/min的升温速率，从室温升到400℃～1200℃，然后恒温2h～4h，然后自然冷却至室温，即得到碳化后的固体；
二、将经步骤一碳化后的固体用研钵研磨10min～30min，然后，向研磨后的固体中加入1mol/L～4mol/L的硝酸，在频率为20kHz～40kHz的条件下超声20min～40min，过滤，将得到的固体用蒸馏水洗2～5次后，在35℃～45℃的条件下干燥至恒重，即得到碳纳米管；其中，硝酸的体积与研磨后的固体的质量的比为（50mL～100mL）:1g。
2.根据权利要求1所述的一种利用葵花籽皮制备碳纳米管的方法，其特征在于步骤一所述的通入氮气的速率为400mL/min。
3.根据权利要求1或2所述的一种利用葵花籽皮制备碳纳米管的方法，其特征在于步骤一中所述向石英管中通入氮气的时间为1h。
4.根据权利要求1所述的一种利用葵花籽皮制备碳纳米管的方法，其特征在于步骤一中所述的升温速率为10℃/min。
5.根据权利要求1、2或4所述的一种利用葵花籽皮制备碳纳米管的方法，其特征在于步骤一中所述的从室温升到600℃。
6.根据权利要求1、2或4所述的一种利用葵花籽皮制备碳纳米管的方法，其特征在于步骤一中所述的从室温升到800℃。
7.根据权利要求1、2或4所述的一种利用葵花籽皮制备碳纳米管的方法，其特征在于步骤一中所述的恒温3h。
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