CN103253648B - 一种在泡沫镍上生长碳纳米管的方法 - Google Patents

一种在泡沫镍上生长碳纳米管的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种在泡沫镍基底上生长碳纳米管的制备方法。所用方法为等离子化学气相沉积法。首先制备含有镍(Ni)元素的酸盐溶于乙二醇甲醚(2-methoxyethanol)中，并且添加适量氨水，高速搅拌数小时，后密封静置得到绿色透明的溶胶。将溶胶涂布在泡沫镍基底材料上。将所述形成有溶胶的泡沫镍基底置于真空炉腔内，当温度达到500-600℃时，通入一定体积比的氢气和氮气还原镍元素作为生长碳纳米管的催化剂，保持10分钟。当温度达到700-800℃时，通入碳源气体，与氢气和氮气保持一定体积比，反应30分钟后生长完毕。在泡沫镍上有碳纳米管生成。此方法制备工艺过程简单，可作为绿色储能器件的电极材料。

Description

一种在泡沫镍上生长碳纳米管的方法
技术领域
本发明属于纳米材料制备技术领域，特别涉及一种在泡沫镍上生长碳纳米管的方法。
背景技术
目前，泡沫镍是绿色储能器件电极材料的集流体。许多电极活性材料都需要与碳纳米管结合以提高其导电性并降低电极内部阻抗。复合电极都是通过与粘合剂和导电剂混合后，压制到电极上制作成型的。该工艺从材料准备到电极制作，工序繁多，操作复杂，并存在很大接触电阻，进而影响电极材料的功率特性。因此，我们将在泡沫镍上直接生长碳纳米管作为作为集流体材料。
碳纳米管因其独特的结构、优异的物理、化学性能和广阔的应用前景而备受关注。碳纳米管具有较好的电荷传输性能，可以用作绿色储能器件的电极材料。目前，制备碳纳米管的制备方法主要有电弧放电法，化学气相沉积法等方法。其中化学气相沉积法是目前应用最广泛的制备方法，容易实现规模化生产。在制备碳纳米管的过程中，催化剂起着非常重要的作用，溶胶凝胶法是制备催化剂的重要方法，制备出的催化剂具有均一，可控性强等特点。提供一种低成本、低能耗，制备效率高的催化剂制备方法，并适合在工业上大规模批量生产的碳纳米管的制备方法是十分必要的。
发明内容
在常温下，将泡沫镍在超声波清洗仪中用无水乙醇清洗，再用去离子水清洗数次。首先制备含有镍(Ni)元素的酸盐溶于乙二醇甲醚中，并且添加适量氨水，高速搅拌数小时，后密封静置数小时后得到绿色透明的溶胶。将所述形成有溶胶的泡沫镍基底置于真空炉腔内，当温度达到500-600℃时，通入一定体积比的氢气和氮气还原镍元素作为生长碳纳米管的催化剂，保持10分钟。当温度达到700-800℃时，通入碳源气体，与氢气和氮气保持一定体积比，反应30分钟后生长完毕。
本发明的优点是采用的溶胶凝胶法制备催化剂的过程简单，成分简单，能耗低。溶胶可直接涂覆在泡沫镍表面，碳纳米管可直接生长在泡沫镍基底上，无序使用粘结剂。此方法简单易行，容易控制，成本低，有利于大面积、大批量生产，易于后续利用。
附图说明
图1是本发明方法在泡沫镍上制备碳纳米管的SEM图
具体实施方式
在常温下，将泡沫镍在超声波清洗仪中用无水乙醇清洗，再用去离子水清洗数次。将不同浓度的Ni酸盐溶液与有机溶剂乙二醇甲醚混合制备出溶胶。将制备好的溶胶采用浸渍提拉法涂布于泡沫镍基底。提拉速度为10-20cm/分钟。湿膜在100℃热处理后重复浸渍提拉，提拉次数为3-10次。
将所述形成有溶胶的泡沫镍基底置于反应炉内，在化学气相沉积系统中直接生长碳纳米管：具体制备包括以下步骤：
(1)将涂有溶胶的泡沫镍置于化学气相沉积系统的腔室内，炉温升至到500℃-600℃，通入氮气和氢气，保持时间为10分钟。
(2)将炉温继续升至700-800℃，通入碳源气体，如甲烷、乙烷、乙炔、乙烯或它们的混合物。保持时间为30分钟。其中保护气体和碳源气体的体积比为1-1∶10。
下面结合具体实施进行说明。
实例1
在常温下，将泡沫镍在超声波清洗仪中用无水乙醇清洗，再用去离子水清洗数次。用2MNi(NO3)2溶液与乙二醇甲醚制备溶胶，并且添加适量氨水，高速搅拌10小时，后密封静置10小时后得到绿色透明的溶胶。采用浸渍提拉法将溶胶均匀地涂覆在泡沫镍表面，本例中提拉速度为10cm/分钟。湿膜在100℃热处理后重复浸渍提拉，提拉次数为5次。将涂有含Ni元素溶胶的泡沫镍置于化学气相沉积系统的腔室内，开始升温，目标温度为500℃，通入还原气体氢气，保持时间为10分钟；炉温继续升至700℃，同时通入甲烷和氮气。氢气∶甲烷∶氮气比例为1∶4∶10。控制真空蝶阀的闭合程度，确保整个反应过程的气压在400Pa左右；反应30分钟后，生长完毕。停止气体通入，降温至100℃以下，取出样品加以保存。
实例2
在常温下，将泡沫镍在超声波清洗仪中用无水乙醇清洗，再用去离子水清洗数次。用0.5MNi(NO3)2溶液与乙二醇甲醚制备溶胶，并且添加适量氨水，高速搅拌10小时，后密封静置10小时后得到绿色透明的溶胶。采用浸渍提拉法将溶胶均匀地涂覆在泡沫镍表面，本例中提拉速度为20cm/分钟。湿膜在100℃热处理后重复浸渍提拉，提拉次数为10次。将涂有含Ni元素溶胶的泡沫镍置于化学气相沉积系统的腔室内，开始升温，目标温度为500℃，通入还原气体氢气，保持时间为10分钟；炉温继续升至700℃，同时通入甲烷和氮气。氢气∶甲烷∶氮气比例为1∶4∶10。控制真空蝶阀的闭合程度，确保整个反应过程的气压在400Pa左右；反应30分钟后，生长完毕。停止气体通入，降温至100℃以下，取出样品加以保存。
实例3
在常温下，将泡沫镍在超声波清洗仪中用无水乙醇清洗，再用去离子水清洗数次。用0.5MNi(NO3)2溶液与乙二醇甲醚制备溶胶，并且添加适量氨水，高速搅拌24小时，后密封静置24小时后得到绿色透明的溶胶。采用浸渍提拉法将溶胶均匀地涂覆在泡沫镍表面，本例中提拉速度为5cm/分钟。湿膜在100℃热处理后重复浸渍提拉，提拉次数为3次。将涂有含Ni元素溶胶的泡沫镍置于化学气相沉积系统的腔室内，开始升温，目标温度为500℃，通入还原气体氢气，保持时间为10分钟；炉温继续升至700℃，同时通入甲烷和氮气。氢气∶乙烷∶氮气比例为1∶4∶10。控制真空蝶阀的闭合程度，确保整个反应过程的气压在400Pa左右；反应30分钟后，生长完毕。停止气体通入，降温至100℃以下，取出样品加以保存。
实例4
在常温下，将泡沫镍在超声波清洗仪中用无水乙醇清洗，再用去离子水清洗数次。用0.5MNi(SO4)2溶液与乙二醇甲醚制备溶胶，并且添加适量氨水，高速搅拌10小时，后密封静置10小时后得到绿色透明的溶胶。采用浸渍提拉法将溶胶均匀地涂覆在泡沫镍表面，本例中提拉速度为10cm/分钟。湿膜在100℃热处理后重复浸渍提拉，提拉次数为5次。将涂有含Ni元素溶胶的泡沫镍置于化学气相沉积系统的腔室内，开始升温，目标温度为500℃，通入还原气体氢气，保持时间为10分钟；炉温继续升至800℃，同时通入甲烷和氮气。氢气∶乙烯∶氮气比例为1∶2∶10。控制真空蝶阀的闭合程度，确保整个反应过程的气压在400Pa左右；反应30分钟后，生长完毕。停止气体通入，降温至100℃以下，取出样品加以保存。
实例5
在常温下，将泡沫镍在超声波清洗仪中用无水乙醇清洗，再用去离子水清洗数次。用0.5MNi(SO4)2溶液与乙二醇甲醚制备溶胶，并且添加适量氨水，高速搅拌24小时，后密封静置10小时后得到绿色透明的溶胶。采用浸渍提拉法将溶胶均匀地涂覆在泡沫镍表面，本例中提拉速度为10cm/分钟。湿膜在100℃热处理后重复浸渍提拉，提拉次数为8次。将涂有含Ni元素溶胶的泡沫镍置于化学气相沉积系统的腔室内，开始升温，目标温度为550℃，通入还原气体氢气，保持时间为10分钟；炉温继续升至750℃，同时通入甲烷和氮气。氢气∶乙炔∶氮气比例为1∶2∶10。控制真空蝶阀的闭合程度，确保整个反应过程的气压在400Pa左右；反应30分钟后，生长完毕。停止气体通入，降温至100℃以下，取出样品加以保存。
实例6
在常温下，将泡沫镍在超声波清洗仪中用无水乙醇清洗，再用去离子水清洗数次。用4MNi(NO3)2溶液与乙二醇甲醚制备溶胶，并且添加适量氨水，高速搅拌4小时，后密封静置4小时后得到绿色透明的溶胶。采用浸渍提拉法将溶胶均匀地涂覆在泡沫镍表面，本例中提拉速度为10cm/分钟。湿膜在100℃热处理后重复浸渍提拉，提拉次数为10次。将涂有含Ni元素溶胶的泡沫镍置于化学气相沉积系统的腔室内，开始升温，目标温度为500℃，通入还原气体氢气，保持时间为10分钟；炉温继续升至800℃，同时通入甲烷和氮气。氢气∶乙炔∶氮气比例为1∶4∶10。控制真空蝶阀的闭合程度，确保整个反应过程的气压在400Pa左右；反应30分钟后，生长完毕。停止气体通入，降温至100℃以下，取出样品加以保存。
实例7
在常温下，将泡沫镍在超声波清洗仪中用无水乙醇清洗，再用去离子水清洗数次。用2MNi(NO3)2溶液与乙二醇甲醚制备溶胶，并且添加适量氨水，高速搅拌2小时，后密封静置10小时后得到绿色透明的溶胶。采用浸渍提拉法将溶胶均匀地涂覆在泡沫镍表面，本例中提拉速度为20cm/分钟。湿膜在100℃热处理后重复浸渍提拉，提拉次数为10次。将涂有含Ni元素溶胶的泡沫镍置于化学气相沉积系统的腔室内，开始升温，目标温度为500℃，通入还原气体氢气，保持时间为10分钟；炉温继续升至700℃，同时通入甲烷和氮气。氢气∶甲烷∶氮气比例为1∶4∶10。控制真空蝶阀的闭合程度，确保整个反应过程的气压在400Pa左右；反应30分钟后，生长完毕。停止气体通入，降温至100℃以下，取出样品加以保存。

Claims (5)

1.一种在泡沫镍上生长碳纳米管的方法，其特征在于：在常温下，将泡沫镍在超声波清洗仪中用无水乙醇清洗，再用去离子水清洗数次，将含有镍元素的酸盐溶于乙二醇甲醚中，并且添加适量氨水，高速搅拌数小时，后密封静置数小时后得到绿色透明的溶胶并涂覆在泡沫镍上，采用浸渍提拉法在泡沫镍基底上涂布，提拉速度为5-20cm/分钟，湿膜在100℃热处理后重复浸渍提拉，提拉次数为3-10次，将所述形成有溶胶的泡沫镍基底置于真空炉腔内，当温度达到500-600℃时，通入一定体积比的氢气和氮气还原镍元素作为生长碳纳米管的催化剂，500-600℃保持10分钟，当温度达到700-800℃时，通入碳源气体，与氢气和氮气保持一定体积比，反应30分钟后生长完毕。
2.如权利要求1所述的生长碳纳米管的方法，其特征在于，所述基底材料为具有导电性的泡沫镍材料。
3.如权利要求1所述的生长碳纳米管的方法，其特征在于，所述制备Ni溶胶的酸盐溶液为不同浓度的硝酸镍、硫酸镍、碱式碳酸镍溶液。
4.如权利要求1所述的生长碳纳米管的方法，其特征在于，通入碳源气体为甲烷、乙烷、乙炔和乙烯的一种或几种混合物。
5.如权利要求1所述的碳纳米管阵列的制备方法，其特征在于，所制备出的碳纳米管为单壁碳纳米管、多壁碳纳米管中的一种。
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