CN103508438A - 一种在纳米多孔铜上直接生长竹节状碳纳米管的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种在纳米多孔铜上直接生长竹节状碳纳米管的方法。该方法过程包括：先制备纳米多孔铜基体；然后经过化学气相沉积法直接得到竹节状碳纳米管材料。本发明的优点在于：相比于其他方法，无需外加催化剂，纳米多孔铜充分发挥自身高的催化活性充当主要的催化剂，一步催化反应大量制备出质量好纯度高的竹节状碳纳米管，而且具有工艺简单，易于控制，且成本低廉，环境友好和重现性较好的特点，易于实现和推广。

Description

一种在纳米多孔铜上直接生长竹节状碳纳米管的方法
技术领域
 本发明涉及一种在纳米多孔铜上直接生长竹节状碳纳米管的方法，属于碳纳米材料的技术领域。
背景技术
碳纳米管自发现以来以其独特的结构、优异的力学、电学和热学等特性和巨大潜力的应用前景不断受到科学界的广泛关注。碳纳米管通常分为多壁和单壁碳纳米管，都具有晶体的结构特征。根据不同的形态可分为平直状碳纳米管、螺旋碳纳米管、Y型碳纳米管、竹节状碳纳米管等。其中，竹节状碳纳米管由一系列分离的中空间隔构成从而具有更大的比表面积和石墨面，较好的石墨化程度，从而在电化学电容器和生物传感器等方面具有很好的应用前景。
目前，已报道的合成竹节状碳纳米管的方法主要有电弧放电法、化学气相沉积法、热解碳化法和溶剂热法等。化学气相沉积法是利用碳源气体在高温下裂解出来的碳原子，在预先沉积了催化剂的基体上沉积，从而得到竹节状碳纳米管的结构,已知的利用化学气相沉积法制备竹节状碳纳米管都是在无机或金属基体上负载铜的化合物经过处理后作为催化剂再进行生长，例如，CuSO4/SiO2，Cu(NO3)2/SiO2和 Cu(CH3COO)2/SiO2等，(Yung-Chih Lin, Jarrn-Horng Lin. Purity-controllable growth of bamboo-like multi-walled carbon nanotubes over copper-based catalysts. Catalysis Communications, 2013, 34:41–44)。
尽管以上制备竹节状碳纳米管的方法取得很大进步，但是过程复杂，产量较低，产物中混有较多的副产物，所以大批量、高纯度均匀的竹节状碳纳米管的制备仍然是一个重要待解决的课题。已知尚无采用纳米多孔铜直接作为模板和催化剂一体，利用化学气相沉积（CVD）方法大量制备竹节状碳纳米管的报道。
发明内容
本发明目的在于提供一种在纳米多孔铜上直接生长竹节状碳纳米管的方法，该方法过程简单、可控性好，得到的竹节状碳纳米管结构均匀、纯度高。
本发明是通过以下技术方案加以实现的，一种在纳米多孔铜上直接生长竹节状碳纳米管的方法,其特征在于包括以下过程：
（1）将厚度为20-30μm的Cu30Mn70条块用去离子水清洗干燥，置于配制的0.02-0.2M稀盐酸溶液中进行自由腐蚀，直到基本没有气泡溢出时取出样品，置于去离子水中清洗，然后放入真空干燥箱60-80℃干燥1-2h，制得纳米多孔铜（NPC）；
（2）将步骤（1）制得的纳米多孔铜放入石英舟中，在管式炉的恒温区，在100-300mL/min氩气氛围下以5-10℃/min升温至500-600℃，然后以100-200ml/min流速通入氢气还原反应0.5-2小时，停止通入氢气，然后以240-300mL/min流速通入乙炔和氩气的混合气进行催化裂解，其中乙炔和氩气体积比为1：（20-40），生长0.2h-1h，然后以流量为100-300mL/min通入氩气，在氩气保护的气氛下以5-10℃/min的速率降温至300-350℃，而后随炉冷却至室温，即得到在纳米多孔铜上生长的竹节状碳纳米管。
本发明的优势在于：以纳米多孔铜（NPC）为模板和催化剂，采用化学气相沉积法一步催化合成竹节状碳纳米管，所得产物结构均匀，易于提纯，可以获得大量的纯度高、粗细均匀的竹节状碳纳米管结构。相比于其他方法，纳米多孔铜不仅作为模板提供一个支撑作用，而且自身发挥高的催化活性充当主要的催化剂，一步催化反应大量制备出质量好纯度高的竹节状碳纳米管，而且制备过程和设备简单易于实现和推广。
附图说明
图1为实施例一所制得的纳米多孔铜材料的SEM图。
图2为实施例一所制得的竹节状碳纳米管的SEM图。
图3为实施例一所制得的竹节状碳纳米管的TEM图。
图4为实施例一所制得的竹节状碳纳米管的HTEM图。
具体实施方式
下面结合实例对本发明做进一步的描述，这些实例只是用于说明本发明，并不限制本发明。
实施例一
将长度为30mm、宽度为5mm、厚度为20μm的Cu30Mn70条块用去离子水清洗表面后干燥，置于浓度为0.025M稀盐酸溶液中进行自由腐蚀，直到基本没有气泡溢出时取出样品，用去离子水中洗涤至中性，然后把样品放入真空干燥箱60℃干燥1h，得到纳米多孔铜（NPC）。将得到的纳米多孔铜放入石英舟中，在管式炉的恒温区，在200mL/min氩气氛围下以10℃/min升温至600℃，然后以100ml/min流速通入氢气还原反应0.5小时，停止通入氢气，然后通入乙炔和氩气的混合气进行催化裂解，其中乙炔和氩气流速分别为6ml/min和240ml/min，生长1h，反应结束后以流量为200mL/min通入氩气，在氩气保护的气氛下以5℃/min的速率降温至300℃，而后随炉冷却至室温，即得到均匀生长的竹节状碳纳米管。
通过SEM分析观察到本发明的竹节状碳纳米管纯度比较高。由TEM分析竹节状碳纳米管的外直径为40-50nm，壁厚为10-15nm。
实施例二
将长度为30mm、宽度为5mm、厚度为20μm的Cu30Mn70条块用去离子水清洗表面后干燥，置于浓度为0.025M稀盐酸溶液中进行自由腐蚀，直到基本没有气泡溢出时取出样品，用去离子水中洗涤至中性，然后把样品放入真空干燥箱60℃干燥1h，得到纳米多孔铜（NPC）。将得到的纳米多孔铜放入石英舟中，在管式炉的恒温区，在200mL/min氩气氛围下以10℃/min升温至500℃，然后以100ml/min流速通入氢气还原反应0.5小时，停止通入氢气，然后通入乙炔和氩气的混合气进行催化裂解，其中乙炔和氩气流速分别为6ml/min和240ml/min，生长1h，反应结束后以流量为200mL/min通入氩气，在氩气保护的气氛下以5℃/min的速率降温至300℃，而后随炉冷却至室温，即得到均匀生长的竹节状碳纳米管。
实施例三
将长度为30mm、宽度为5mm、厚度为20μm的Cu30Mn70条块用去离子水清洗表面后干燥，置于浓度为0.025M稀盐酸溶液中进行自由腐蚀，直到基本没有气泡溢出时取出样品，用去离子水中洗涤至中性，然后把样品放入真空干燥箱60℃干燥1h，得到纳米多孔铜（NPC）。将得到的纳米多孔铜放入石英舟中，在管式炉的恒温区，在200mL/min氩气氛围下以10℃/min升温至600℃，然后以100ml/min流速通入氢气还原反应0.5小时，停止通入氢气，然后通入乙炔和氩气的混合气进行催化裂解，其中乙炔和氩气流速分别为10ml/min和240ml/min，生长1h，反应结束后以流量为200mL/min通入氩气，在氩气保护的气氛下以5℃/min的速率降温至300℃，而后随炉冷却至室温，即得到均匀生长的竹节状碳纳米管。
实施例四
将长度为30mm、宽度为5mm、厚度为20μm的Cu30Mn70条块用去离子水清洗表面后干燥，置于浓度为0.025M稀盐酸溶液中进行自由腐蚀，直到基本没有气泡溢出时取出样品，用去离子水中洗涤至中性，然后把样品放入真空干燥箱60℃干燥1h，得到纳米多孔铜（NPC）。将得到的纳米多孔铜放入石英舟中，在管式炉的恒温区，在200mL/min氩气氛围下以10℃/min升温至700℃，然后以100ml/min流速通入氢气还原反应0.5小时，停止通入氢气，然后通入乙炔和氩气的混合气进行催化裂解，其中乙炔和氩气流速分别为6ml/min和240ml/min，生长1h，反应结束后以流量为200mL/min通入氩气，在氩气保护的气氛下以5℃/min的速率降温至300℃，而后随炉冷却至室温，即得到均匀生长的竹节状碳纳米管。
实施例五
将长度为30mm、宽度为5mm、厚度为20μm的Cu30Mn70条块用去离子水清洗表面后干燥，置于浓度为0.025M稀盐酸溶液中进行自由腐蚀，直到基本没有气泡溢出时取出样品，用去离子水中洗涤至中性，然后把样品放入真空干燥箱60℃干燥1h，得到纳米多孔铜（NPC）。将得到的纳米多孔铜放入石英舟中，在管式炉的恒温区，在200mL/min氩气氛围下以10℃/min升温至600℃，然后以100ml/min流速通入氢气还原反应0.5小时，停止通入氢气，然后通入乙炔和氩气的混合气进行催化裂解，其中乙炔和氩气流速分别为20ml/min和240ml/min，生长1h，反应结束后以流量为200mL/min通入氩气，在氩气保护的气氛下以5℃/min的速率降温至300℃，而后随炉冷却至室温，即得到均匀生长的竹节状碳纳米管。

Claims (1)

1.一种在纳米多孔铜上直接生长竹节状碳纳米管的方法,其特征在于包括以下过程：
（1）将厚度为20-30μm的Cu30Mn70条块用去离子水清洗干燥，置于配制的0.02-0.2M稀盐酸溶液中进行自由腐蚀，直到基本没有气泡溢出时取出样品，置于去离子水中清洗，然后放入真空干燥箱60-80℃干燥1-2h，制得纳米多孔铜；
（2）将步骤（1）制得的纳米多孔铜放入石英舟中，在管式炉的恒温区，在100-300mL/min氩气氛围下以5-10℃/min升温至500-600℃，然后以100-200ml/min流速通入氢气还原反应0.5-2小时，停止通入氢气，然后以240-300mL/min流速通入乙炔和氩气的混合气进行催化裂解，其中乙炔和氩气体积比为1：（20-40），生长0.2h-1h，然后以流量为100-300mL/min通入氩气，在氩气保护的气氛下以5-10℃/min的速率降温至300-350℃，而后随炉冷却至室温，即得到在纳米多孔铜上生长的竹节状碳纳米管。
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