CN108046239A - 一种高长径比碳纳米管及其制备方法 - Google Patents

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宋健波
张少伟
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Abstract

本发明涉及一种高长径比碳纳米管及其制备方法。其技术方案是：按催化剂∶无水乙醇的质量比为（0.0025~0.025）∶1，将所述催化剂溶于无水乙醇中，搅拌或超声分散，制得溶液。按所述溶液∶沥青粉体的质量比为(0.5~2)∶1，将溶液匀速加入沥青粉体中，加入时间为0.2~0.8h，浸渍12~48h，制得沥青负载催化剂前驱体。将沥青负载催化剂前驱体在室温~100℃条件下干燥2~48h，然后在600~1200℃条件下热处理1~6h，制得高长径比碳纳米管。所述催化剂为含有铁、钴和镍一种以上的物质。本发明制备工艺简单、环境友好、易于控制和生产成本低；所制备的高长径比碳纳米管管壁光滑、形貌长直、分散均匀、纯度高和无需后续处理，适宜于批量生产。

Description

一种高长径比碳纳米管及其制备方法
技术领域
本发明属于碳纳米管技术领域。具体涉及一种高长径比碳纳米管及其制备方法。
背景技术
碳纳米管是一种一维纳米碳材料。具有强度高、韧性好、热导率高、导电性好和比表面积大等优异性能，广泛应用于催化剂载体、电极材料、纳米器件和复合材料增强等领域。碳纳米管的制备方法通常包括电弧放电法、激光蒸发法和化学气相淀积法（CVD）等。石墨、乙炔和乙烯等碳氢类气体化合物是常见的碳源。目前，碳纳米管生产条件苛刻，工艺流程复杂，价格居高不下。
“一种分叉碳纳米管材料的制备方法”（CN102992302A）专利技术，以氧化石墨为碳源，以氯铂酸、氯化铂、氯钯酸或氯化钯为催化剂，在碱性环境中，加入硼氢化钠或肼，常温下反应8-12h，制得分叉碳纳米管。该方法工艺繁琐、耗时长且催化剂成本昂贵，两端分叉的结构缺陷也限制了在材料结构要求较高的领域的应用。
“一种基于固相热解的碳纳米管制备方法”（CN104555986A）专利技术，采用Sonogarshira及其它反应合成具有含氧基团和碳碳三键的有机金属Co化合物作为原料，然后将置于密闭真空容器中程序控温热解，最后将纳米球转变为碳纳米管。该方法制备的碳纳米管团聚现象严重、品质不高、需要进行后续分散处理、工艺流程复杂、生产成本高，不适应于工业生产。
“一种催化热解固态碳材料制碳纳米管的方法”（CN106006604B）专利技术，以固态碳为母料，以碳酸钠、氢氧化钠、碳酸钾和氢氧化钾为催化剂，采用高温高压水热方法制得碳纳米管。该方法制备的碳纳米管反应流程繁琐、工艺复杂、条件苛刻、所得产物纯度低，需要进行后续提纯处理，增加了生产成本。
发明内容
本发明旨在克服现有技术的不足，目的是提供一种工艺简单、环境友好、易于控制和生产成本低的高长径比碳纳米管制备方法，用该方法制备的高长径比碳纳米管管壁光滑、形貌长直、分散均匀、纯度高和无需后续处理，适宜于批量生产。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案的制备步骤是：
步骤一、按催化剂∶无水乙醇的质量比为（0.0025~0.025）∶1，将所述催化剂溶于无水乙醇中，搅拌或超声分散2~30min，制得溶液。
步骤二、按所述溶液∶沥青粉体的质量比为(0.5~2)∶1，将所述溶液匀速加入所述沥青粉体中，加入时间为0.2~0.8h，浸渍12~48h，制得沥青负载催化剂前驱体。
步骤三、将所述沥青负载催化剂前驱体在室温~100℃条件下干燥2~48h，然后在600~1200℃条件下热处理1~6h，制得高长径比碳纳米管。
所述催化剂为含有铁、钴和镍一种以上的物质。
所述无水乙醇为工业纯或为分析纯。
所述沥青粉体的残炭率≥50%；所述沥青粉体的粒径≤2mm。
由于采用上述技术方案，本发明与现有技术相比具有以下积极效果：
1、本发明在常压下即可进行，无需专用设备，能快速投产，工艺简单、易于控制和操作安全简便。
2、本发明采用无水乙醇作为溶剂，安全无毒，对操作人员和环境危害小。
3、本发明采用沥青粉体为碳源，原料易得，价格低廉，能极大降低碳纳米管的生产成本。
4、本发明制备的高长径比碳纳米管经扫描电镜表征：碳纳米管外径小于70nm；碳纳米管壁厚小于9nm；碳纳米管长度大于300μm。本发明制备的高长径比碳纳米管的管壁光滑、形貌长直和分散均匀，品质远优于同类产品。
因此，本发明制备工艺简单、环境友好、易于控制和生产成本低；所制备的高长径比碳纳米管管壁光滑、形貌长直、分散均匀、纯度高和无需后续处理，适宜于批量生产。
附图说明
图1为本发明制备的一种高长径比碳纳米管的SEM图；
图2为本发明制备的另一种高长径比碳纳米管的SEM图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的描述，并非对其保护范围的限制。
本具体实施方式中：所述沥青粉体的残炭率≥50%；所述沥青粉体的粒径≤2mm。实施例中不再赘述。
实施例1
一种高长径比碳纳米管及其制备方法。所述制备方法的步骤是：
步骤一、按催化剂∶无水乙醇的质量比为（0.0025~0.01）∶1，将所述催化剂溶于无水乙醇中，搅拌或超声分散2~30min，制得溶液。
步骤二、按所述溶液∶沥青粉体的质量比为(0.5~0.8)∶1，将所述溶液匀速加入所述沥青粉体中，加入时间为0.2~0.4h，浸渍12~18h，制得沥青负载催化剂前驱体。
步骤三、将所述沥青负载催化剂前驱体在室温~100℃条件下干燥2~48h，然后在600~900℃条件下热处理1~6h，制得高长径比碳纳米管。
所述催化剂为含铁的物质。
所述无水乙醇为工业纯。
本实施例制备的高长径比碳纳米管经扫描电镜表征：碳纳米管外径小于60nm；碳纳米管壁厚小于9nm；碳纳米管长度大于400μm。本实施例制备的高长径比碳纳米管的管壁光滑、形貌长直和分散均匀，品质远优于同类产品。
实施例2
一种高长径比碳纳米管及其制备方法。所述制备方法的步骤是：
步骤一、按催化剂∶无水乙醇的质量比为（0.005~0.0125）∶1，将所述催化剂溶于无水乙醇中，搅拌或超声分散2~30min，制得溶液。
步骤二、按所述溶液∶沥青粉体的质量比为(0.7~1.0)∶1，将所述溶液匀速加入所述沥青粉体中，加入时间为0.3~0.5h，浸渍17~23h，制得沥青负载催化剂前驱体。
步骤三、将所述沥青负载催化剂前驱体在室温~100℃条件下干燥2~48h，然后在650~950℃条件下热处理1~6h，制得高长径比碳纳米管。
所述催化剂为含钴的物质。
所述无水乙醇为工业纯。
本实施例制备的高长径比碳纳米管经扫描电镜表征：碳纳米管外径小于40nm；碳纳米管壁厚小于7nm；碳纳米管长度大于600μm。本实施例制备的高长径比碳纳米管的管壁光滑、形貌长直和分散均匀，品质远优于同类产品。
实施例3
一种高长径比碳纳米管及其制备方法。所述制备方法的步骤是：
步骤一、按催化剂∶无水乙醇的质量比为（0.0075~0.015）∶1，将所述催化剂溶于无水乙醇中，搅拌或超声分散2~30min，制得溶液。
步骤二、按所述溶液∶沥青粉体的质量比为(0.9~1.2)∶1，将所述溶液匀速加入所述沥青粉体中，加入时间为0.4~0.6h，浸渍22~28h，制得沥青负载催化剂前驱体。
步骤三、将所述沥青负载催化剂前驱体在室温~100℃条件下干燥2~48h，然后在700~1000℃条件下热处理1~6h，制得高长径比碳纳米管。
所述催化剂为含镍的物质。
所述无水乙醇为工业纯。
本实施例制备的高长径比碳纳米管经扫描电镜表征：碳纳米管外径小于20nm；碳纳米管壁厚小于5nm；碳纳米管长度大于800μm。本实施例制备的高长径比碳纳米管的管壁光滑、形貌长直和分散均匀，品质远优于同类产品。
实施例4
一种高长径比碳纳米管及其制备方法。所述制备方法的步骤是：
步骤一、按催化剂∶无水乙醇的质量比为（0.01~0.0175）∶1，将所述催化剂溶于无水乙醇中，搅拌或超声分散2~30min，制得溶液。
步骤二、按所述溶液∶沥青粉体的质量比为(1.1~1.4)∶1，将所述溶液匀速加入所述沥青粉体中，加入时间为0.5~0.7h，浸渍27~33h，制得沥青负载催化剂前驱体。
步骤三、将所述沥青负载催化剂前驱体在室温~100℃条件下干燥2~48h，然后在750~1050℃条件下热处理1~6h，制得高长径比碳纳米管。
所述催化剂为含有铁和钴的物质。
所述无水乙醇为分析纯。
本实施例制备的高长径比碳纳米管经扫描电镜表征：碳纳米管外径小于10nm；碳纳米管壁厚小于3nm；碳纳米管长度大于900μm。本实施例制备的高长径比碳纳米管的管壁光滑、形貌长直和分散均匀，品质远优于同类产品。
实施例5
一种高长径比碳纳米管及其制备方法。所述制备方法的步骤是：
步骤一、按催化剂∶无水乙醇的质量比为（0.0125~0.02）∶1，将所述催化剂溶于无水乙醇中，搅拌或超声分散2~30min，制得溶液。
步骤二、按所述溶液∶沥青粉体的质量比为(1.3~1.6)∶1，将所述溶液匀速加入所述沥青粉体中，加入时间为0.6~0.8h，浸渍32~38h，制得沥青负载催化剂前驱体。
步骤三、将所述沥青负载催化剂前驱体在室温~100℃条件下干燥2~48h，然后在800~1100℃条件下热处理1~6h，制得高长径比碳纳米管。
所述催化剂为含有钴和镍的物质。
所述无水乙醇为分析纯。
本实施例制备的高长径比碳纳米管经扫描电镜表征：碳纳米管外径小于30nm；碳纳米管壁厚小于4nm；碳纳米管长度大于700μm。本实施例制备的高长径比碳纳米管的管壁光滑、形貌长直和分散均匀，品质远优于同类产品。
实施例6
一种高长径比碳纳米管及其制备方法。所述制备方法的步骤是：
步骤一、按催化剂∶无水乙醇的质量比为（0.0150~0.0225）∶1，将所述催化剂溶于无水乙醇中，搅拌或超声分散2~30min，制得溶液。
步骤二、按所述溶液∶沥青粉体的质量比为(1.5~1.8)∶1，将所述溶液匀速加入所述沥青粉体中，加入时间为0.6~0.8h，浸渍37~43h，制得沥青负载催化剂前驱体。
步骤三、将所述沥青负载催化剂前驱体在室温~100℃条件下干燥2~48h，然后在850~1150℃条件下热处理1~6h，制得高长径比碳纳米管。
所述催化剂为含有铁和镍的物质。
所述无水乙醇为分析纯。
本实施例制备的高长径比碳纳米管经扫描电镜表征：碳纳米管外径小于50nm；碳纳米管壁厚小于6nm；碳纳米管长度大于500μm。本实施例制备的高长径比碳纳米管的管壁光滑、形貌长直和分散均匀，品质远优于同类产品。
实施例7
一种高长径比碳纳米管及其制备方法。所述制备方法的步骤是：
步骤一、按催化剂∶无水乙醇的质量比为（0.0175~0.025）∶1，将所述催化剂溶于无水乙醇中，搅拌或超声分散2~30min，制得溶液。
步骤二、按所述溶液∶沥青粉体的质量比为(1.7~2)∶1，将所述溶液匀速加入所述沥青粉体中，加入时间为0.4~0.6h，浸渍42~48h，制得沥青负载催化剂前驱体。
步骤三、将所述沥青负载催化剂前驱体在室温~100℃条件下干燥2~48h，然后在900~1200℃条件下热处理1~6h，制得高长径比碳纳米管。
所述催化剂为含有铁、钴和镍的物质。
所述无水乙醇为工业纯。
本实施例制备的高长径比碳纳米管经扫描电镜表征：碳纳米管外径小于70nm；碳纳米管壁厚小于8nm；碳纳米管长度大于300μm。本实施例制备的高长径比碳纳米管的管壁光滑、形貌长直和分散均匀，品质远优于同类产品。
本具体实施方式与现有技术相比具有以下积极效果：
1、本具体实施方式在常压下即可进行，无需专用设备，能快速投产，工艺简单、易于控制和操作安全简便。
2、本具体实施方式采用无水乙醇作为溶剂，安全无毒，对操作人员和环境危害小。
3、本具体实施方式采用沥青粉体为碳源，原料易得，价格低廉，能极大降低碳纳米管的生产成本。
4、本具体实施方式制备的高长径比碳纳米管经扫描电镜表征：碳纳米管外径小于70nm；碳纳米管壁厚小于9nm；碳纳米管长度大于300μm。具体如图1和图2所示，图1为实施例4制备的一种高长径比碳纳米管的SEM图，从图1可以看出：碳纳米管外径小于50nm；碳纳米管壁厚小于10nm；图2为实施例5制备的一种高长径比碳纳米管的SEM图；从图2可以看出，碳纳米管长度大于200μm。本具体实施方式制备的高长径比碳纳米管的管壁光滑、形貌长直和分散均匀，品质远优于同类产品。
因此，本具体实施方式制备工艺简单、环境友好、易于控制和生产成本低；所制备的高长径比碳纳米管管壁光滑、形貌长直、分散均匀、纯度高和无需后续处理，适宜于批量生产。

Claims (5)

1.一种高长径比碳纳米管的制备方法，其特征在于所述制备方法的步骤是：
步骤一、按催化剂∶无水乙醇的质量比为（0.0025~0.025）∶1，将所述催化剂溶于无水乙醇中，搅拌或超声分散2~30min，制得溶液；
步骤二、按所述溶液∶沥青粉体的质量比为(0.5~2)∶1，将所述溶液匀速加入所述沥青粉体中，加入时间为0.2~0.8h，浸渍12~48h，制得沥青负载催化剂前驱体；
步骤三、将所述沥青负载催化剂前驱体在室温~100℃条件下干燥2~48h，然后在600~1200℃条件下热处理1~6h，制得高长径比碳纳米管。
2.根据权利要求1所述高长径比碳纳米管的制备方法，其特征在于所述催化剂为含有铁、钴和镍一种以上的物质。
3.根据权利要求1所述高长径比碳纳米管的制备方法，其特征在于所述无水乙醇为工业纯或为分析纯。
4.根据权利要求1所述高长径比碳纳米管的制备方法，其特征在于所述沥青粉体的残炭率≥50%；所述沥青粉体的粒径≤2mm。
5.一种高长径比碳纳米管，其特征在于所述高长径比碳纳米管是根据权利要求1~4项中任一项所述高长径比碳纳米管的制备方法所制备的高长径比碳纳米管。
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