CN107473204A - 一种纯化碳纳米管粉体的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纯化碳纳米管粉体的装置，包括加料料斗、溢流管和至少一级纯化槽系统，所述纯化槽系统包括电源、纯化槽、搅拌棒、阳极、阴极和隔膜，所述搅拌棒设有螺旋叶片，所述阳极为片状或丝状结构，均匀镶嵌在螺旋叶片上，并通过导线与电源正极连接，所述阴极设置在纯化槽内侧壁，并通过导线与电源负极连接，所述隔膜设置在螺旋叶片和阴极之间，用于将纯化槽中的碳纳米管粉体悬浮液和阴极隔开。本发明还公开了一种采用上述装置进行纯化处理的方法。本发明的装置及方法，能有效减小纯化过程中对碳纳米管粉体结构表面造成损伤，并能连续规模化生产纯化碳纳米管粉体，具有高效、低成本和无废液等特点，适合规模化推广应用。

Description

一种纯化碳纳米管粉体的装置和方法

技术领域

本发明涉及纳米材料制造领域，具体涉及一种纯化碳纳米管粉体的装置和方法。

背景技术

碳纳米管是一种径向尺寸约为2-20纳米、轴向尺寸为微米的一维纳米碳材料。他主要由呈六边形排列的碳原子构成的数层到数十层的同轴圆管，两端基本都处于封口状态。根据材料的组成元素及其独特纳米结构，碳纳米管在导电导热、强度、韧性、尺寸、化学及热稳定性等方面都表现出独特的特点，并在能源材料、电子电力、复合材料、航天航空等领域表现出很好的应用前景。

时至今日，人们已经开发了多种制备碳纳米管粉体的方法，在这些方法中一般要用到含钴、镍和铁等催化剂，以便能提升生产效率，得到外形和性能满足要求的碳纳米管粉体材料。在碳纳米管粉体中，通常存在所使用的催化剂以及其他诸如非碳纳米管碳材料杂质，这些成分的存在将影响碳纳米管粉体的应用性能。为此，人们研究了物理分离、化学氧化、气相氧化等方法来提纯所得到的碳纳米管粉体。

其中，液相氧化法是常用的纯化碳纳米管粉体方法，所利用氧化性酸包括硝酸、硫酸、硫酸/硝酸混合物、硫酸/高锰酸钾等对粉体进行氧化处理，在除掉碳纳米管粉体中一些残余碳物质的同时，也能够酸溶解掉其中残余的金属催化剂颗粒。液相氧化法虽然可以除去副产物，但是由于所使用酸的强氧化性，也很容易改变碳纳米管的表面组成结构，生成酸性含氧功能团，这对碳纳米管分子在电子、力学和材料学等方面的应用非常不利。

发明内容

针对现有技术的上述缺陷，本发明的目的之一在于提供一种纯化碳纳米管粉体的装置，能有效减小对碳纳米管粉体结构表面造成损伤，并能连续规模化生产纯化碳纳米管粉体。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种纯化碳纳米管粉体的装置，包括加料料斗、溢流管和至少一级纯化槽系统，所述纯化槽系统包括电源、纯化槽、搅拌棒、阳极、阴极和隔膜，所述纯化槽顶部具有和溢流管连接的溢流口，所述纯化槽底部具有和溢流管或加料料斗连接的加料口，所述搅拌棒外接动力装置，两端分别转动连接在纯化槽的顶面和底面，其上设有螺旋叶片，所述阳极为片状或丝状结构，均匀镶嵌在螺旋叶片上，并通过导线与电源正极连接，所述阴极设置在纯化槽内侧壁，并通过导线与电源负极连接，所述隔膜设置在螺旋叶片和阴极之间，用于将纯化槽中的碳纳米管粉体悬浮液和阴极隔开。

进一步地，所述搅拌棒及其上面的螺旋叶片由耐酸并抗氧化的塑料材料制成。

进一步地，所述电源为脉冲电源，所述阳极由金属铂或表面镀铂的金属材料制成。

本发明的另一目的在于一种纯化碳纳米管粉体的方法，其包括以下步骤：

步骤1：把碳纳米管粉体加入到含2％稀硫酸或醋酸、5～10％硫酸钠的溶液中制备成碳纳米管粉体悬浮液；

步骤2：将制备好的碳纳米管粉体悬浮液通过加料料斗连续加入到纯化槽中，通电，在螺旋叶片的搅拌下进行电解纯化，电解纯化后碳纳米管粉体悬浮液经溢流口进入到下一级纯化槽中再次电解纯化；

步骤3：将经过多级纯化槽处理达到纯化要求后的碳纳米管粉体悬浮液过滤掉滤液，再经三级水洗烘干处理，得到纯化的碳纳米管粉体。

进一步地，所述碳纳米管粉体悬浮液在单个纯化槽中的电解时间为20分钟，电解最大电流密度为1Acm^-2。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、电解液由2％稀硫酸或醋酸、5～10％硫酸钠组成，能有效减小对碳纳米管粉体结构表面造成损伤，而且还可以降低设备的耐酸要求。

2、电解过程中，螺旋叶片带动阳极不停的搅动碳纳米管粉体悬浮液，能够加速镍、钴、铁等残余物的电解效率，从而提升纯化效果。

3、采用脉冲极化电流，可以施加较大的极化电流，提升对金属元素的氧化溶解作用。

4、采用多级纯化槽系统，可根据纯化要求，灵活配置，实现纯化碳纳米管粉体的规模化、连续化生产。

5、纯化后的碳纳米管粉体悬浮液，经过滤产生的滤液能够与待纯化的碳纳米管粉体混合再次制备悬浮液，实现滤液的循环利用，不会产生废液处理问题。

附图说明

图1为本发明的纯化碳纳米管粉体的装置的结构示意图；

附图标记说明：1-加料料斗，2-电源，3-搅拌棒，4-溢流管，5-纯化槽，6-阴极，7-隔膜。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。

实施例：

如图1所示，本发明的纯化碳纳米管粉体的装置由两级或更多级纯化槽系统组成，可根据原料中杂质含量和纯化要求进行组合，第一级纯化槽系统和加料料斗1连接，中间各级纯化槽系统通过溢流管4连接，最后一级纯化槽系统通过溢流管4连接到后续处理设备，纯化槽系统包括电源2、搅拌棒3、纯化槽5、阳极、阴极6和隔膜7。

其中，纯化槽5为圆筒形结构，由耐酸碱材料制成，上盖可以移动，在纯化槽5顶部设有和溢流管连接的溢流口，在纯化槽5底部设有和溢流管4或加料料斗1连接的加料口。搅拌棒3安装在纯化槽5中部，外接动力装置，两端分别转动连接在纯化槽5的底部和上盖，搅拌棒3上设有螺旋叶片，搅拌棒3及其上面的螺旋叶片均为耐酸并抗氧化的塑料材料制成，在螺旋叶片上镶嵌有耐酸抗氧化并能作为传导电流的片状阳极或丝状阳极，这些阳极通过导线与电源2的正极相连接。纯化槽5侧壁上安装有耐酸的阴极6并与电源2的负极相连接，这些阴极6装在阳离子膜或半透膜的隔膜7中，以避免纯化过程中与碳纳米管粉体接触而引起纯化槽5内的电子短路。为提升对金属元素的氧化溶解作用，减小对碳纳米管粉体上碳元素的影响，电源2采用脉冲电源，阳极采用金属铂或表面镀铂处理。

本发明的纯化碳纳米管粉体的装置，其基本工作过程及原理为：

首先制备出碳纳米管粉体悬浮液，然后通过加料料斗1连续加入到第一级纯化槽5中，并在搅拌棒3的螺旋叶片带动下由底部逐步上升到顶部，再经溢流管4进入下一级纯化槽5中，直到达到纯化要求后，才从溢流管4进入到后续处理设备。每级纯化槽5中，悬浮液在螺旋叶片搅拌过程中，螺旋叶片上的阳极和侧壁上的阴极6接受电源2施加的脉冲电流，因为碳纳米管粉体本身就有导电能力，因此悬浮液中的碳纳米管粉体与阳极连接被施加阳极极化，在阳极极化电流的作用下，镍、钴、铁等残余物会电氧化溶解在悬浮液中，并透过隔膜7在阴极6上发生电沉积。最后，经纯化槽5处理达到纯化要求后的悬浮液过滤掉滤液，再经三级水洗并烘干后即可得到纯化的碳纳米管粉体，过滤掉的滤液可继续与待纯化的碳纳米管粉体混合制备悬浮液，实现滤液的循环利用。

本发明实施例的一种采用上述纯化碳纳米管粉体的装置来完成纯化碳纳米管粉体的方法，包括以下步骤：

以直径0.5米、高2米的圆筒形纯化槽5为例，每个小时可纯化25公斤碳纳米管粉体，碳纳米管粉体经纯化处理后，其金属催化剂含量可降低到0.5％以下。

步骤1：把碳纳米管粉体加入到含2％稀硫酸或醋酸、5-10％硫酸钠的溶液中制备成碳纳米管粉体悬浮液。加入2％稀硫酸或醋酸是为了使浆料呈酸性，以利于碳纳米管粉体中的金属物质能在酸性条件下被氧化溶解，加入5-10％硫酸钠则是为了能在较低的酸性条件下保证浆料的离子导电性。这样的溶液环境可以避免由于使用强酸而对设备有较大耐酸要求。

步骤2：将制备好的碳纳米管粉体悬浮液通过加料料斗1连续加入纯化槽5中，启动电源2及搅拌棒3的动力装置，悬浮液在螺旋叶片搅拌过程中与螺旋叶片上的阳极相接触，在脉冲电源施加的阳极极化条件下，碳纳米管粉体中的金属物质发生阳极氧化被溶解到悬浮液中，调节加料速度，使加入的悬浮液在一级纯化槽中的停留时间为20分钟，施加的脉冲电流在电极上的最大电流密度为1Acm^-2。由于在阳极和阴极6发生的析氧及析氢反应非常少，纯化槽5中发生的主要反应为碳纳米管粉体中残余金属元素溶解与析出，不会对悬浮液的酸性和离子种类及数量产生影响。

步骤3：将经过多级纯化槽5处理达到纯化要求后的碳纳米管粉体悬浮液过滤掉滤液，再经三级水洗烘干处理，得到纯化的碳纳米管粉体。过滤掉的滤液可继续与待纯化的碳纳米管粉体混合制备悬浮液，实现滤液的循环利用，不会产生废液处理问题。

上列详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。

Claims (5)

1.一种纯化碳纳米管粉体的装置，其特征在于，包括加料料斗、溢流管和至少一级纯化槽系统，所述纯化槽系统包括电源、纯化槽、搅拌棒、阳极、阴极和隔膜，所述纯化槽顶部具有和溢流管连接的溢流口，所述纯化槽底部具有和溢流管或加料料斗连接的加料口，所述搅拌棒外接动力装置，两端分别转动连接在纯化槽的顶面和底面，其上设有螺旋叶片，所述阳极为片状或丝状结构，均匀镶嵌在螺旋叶片上，并通过导线与电源正极连接，所述阴极设置在纯化槽内侧壁，并通过导线与电源负极连接，所述隔膜设置在螺旋叶片和阴极之间，用于将纯化槽中的碳纳米管粉体悬浮液和阴极隔开。

2.根据权利要求1所述的纯化碳纳米管粉体的装置，其特征在于：所述搅拌棒及其上面的螺旋叶片由耐酸并抗氧化的塑料材料制成。

3.根据权利要求1所述的纯化碳纳米管粉体的装置，其特征在于：所述电源为脉冲电源，所述阳极由金属铂或表面镀铂的金属材料制成。

4.一种纯化碳纳米管粉体的方法，通过如权利要求1-3任一所述的纯化碳纳米管粉体的装置实现，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：把碳纳米管粉体加入到含2％稀硫酸或醋酸、5～10％硫酸钠的溶液中制备成碳纳米管粉体悬浮液；

步骤2：将制备好的碳纳米管粉体悬浮液通过加料料斗连续加入到纯化槽中，通电，在螺旋叶片的搅拌下进行电解纯化，电解纯化后碳纳米管粉体悬浮液经溢流口进入到下一级纯化槽中再次电解纯化；

步骤3：将经过多级纯化槽处理达到纯化要求后的碳纳米管粉体悬浮液过滤掉滤液，再经三级水洗烘干处理，得到纯化的碳纳米管粉体。

5.根据权利要求4所述一种纯化碳纳米管粉体的方法，其特征在于，所述碳纳米管粉体悬浮液在单个纯化槽中的电解时间为20分钟，电解最大电流密度为1Acm^-2。