CN108584919A - 一种碳纳米管的非破坏性分散方法 - Google Patents

一种碳纳米管的非破坏性分散方法 Download PDF

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Abstract

一种碳纳米管的非破坏性分散方法，涉及碳纳米管。在低温浴条件下冷凝氨气得到液氨，在磁力搅拌和氮气保护条件下，加入碳纳米管，搅拌后加入碱金属，得到碳纳米管分散原液；在碳纳米管分散原液中加入分散剂，分散后，撤去低温浴，升温挥发液氨后即得稳定的碳纳米管分散液。碳纳米管是一种极具应用潜力的一维纳米材料，但由于其具有巨大的分子量，而且管与管之间存在着较强的范德华作用力，往往团聚或相互缠绕在一起而很难分散在一般的溶剂中，严重影响实际应用。现有碳纳米管分散方法有共价修饰法和非共价修饰法，前者将碳晶格由sp2杂化变为sp3杂化，后者需大功率超声或球磨作用，不可避免地造成碳纳米管表面结构的破坏，影响其性能的发挥。

Description

一种碳纳米管的非破坏性分散方法
技术领域
本发明涉及碳纳米管，尤其是涉及一种碳纳米管的非破坏性分散方法。
技术背景
碳纳米管是一种极具应用潜力的一维纳米材料，其直径一般为2～100nm，长度可达10～50μm，是一种优秀的导电剂。碳纳米管不但能够在导电网络中起到导线的作用，而且还具有双电层效应及超级电容器的高倍率特性。同时，碳纳米管优异的导热性能有利于电池充放电时的散热，减少电池的极化，提高电池的高低温性能，延长电池的寿命。Sheem等人(Journal of Power Sources，2006，158，1425-1430)分别对比了以碳纳米管和传统导电炭黑为导电剂的LiCoO2电池性能，结果发现，以多壁碳纳米管为导电添加剂的电池在电容量和循环次数上具有明显优势。
然而，由于碳纳米管具有巨大的分子量，而且管与管之间也存在着较强的范德华力，往往团聚或相互缠绕在一起而难以均匀地分散到材料中，从而影响了碳纳米管本身物理性能的发挥。目前，碳纳米管较为常见的分散方法有：强酸氧化处理、添加分散剂、球磨、超声波震荡、共混等(Journal of Physical Chemistry C，2007，111，12594-12602)，但这些碳纳米管分散方法存在一些问题：(1)采用强酸氧化处理会破化碳纳米管的表面结构，导致其导电性能显著下降；(2)加入分散剂或其他助剂会对碳纳米管的性能产生影响或者会影响其应用；(3)强机械式研磨法或超声波震荡也会对碳纳米管的结构产生破坏作用，进而影响其性能。因此，寻求一种高效分散碳纳米管方法，并有效地减弱对碳纳米管结构的破坏作用，具有非常重要的意义和价值。
发明内容
本发明的目的在于提供可获得稳定的碳纳米管分散液，同时保持碳纳米的长度和表面结构，有利于其优异导电性能发挥的一种碳纳米管的非破坏性分散方法。
本发明的具体步骤如下：
1)在低温浴条件下冷凝氨气得到液氨，在磁力搅拌和氮气保护条件下，加入碳纳米管，搅拌后加入碱金属，得到碳纳米管分散原液；
在步骤1)中，所述低温浴条件的温度可为-78℃～-35℃；所述碳纳米管的加入量按质量百分比可为0.1％～15％，优选0.05％～5％；所述碳纳米管可选自单壁碳纳米管、双壁碳纳米管、多壁碳纳米管等中的至少一种；所述碱金属可选自锂、钠、钾等中的一种或其合金；加入碱金属和碳纳米管含碳原子的摩尔比可为(20～0.02)︰1。
2)在步骤1)得到的碳纳米管分散原液中加入分散剂，分散后，撤去低温浴，升温挥发液氨后即得稳定的碳纳米管分散液。
在步骤2)中，所述分散剂可选自N-甲基吡咯烷酮(NMP)、四氢呋喃(THF)、N，N-二甲基甲酰胺(DMF)、乙二醇二甲醚(1，2-DME)等中的一种；所述分散的时间可为0.5～24h。
在本发明中，碳纳米管是一种极具应用潜力的一维纳米材料，但由于其具有巨大的分子量，而且管与管之间也存在着较强的范德华作用力，往往团聚或相互缠绕在一起而很难分散在一般的溶剂中，严重影响了它的实际应用。目前已有的碳纳米管分散方法主要有共价修饰法和非共价修饰法，前者将碳晶格由sp2杂化变为sp3杂化，后者需要大功率的超声或球磨作用，这些都不可避免地造成碳纳米管表面结构的破坏，影响其性能的发挥。
本发明所提出的碳纳米管分散方法，其特点在于采用溶剂化电子溶液体系将碳纳米管还原，利用碳纳米管之间强烈的库仑排斥力，获得碳纳米管分散原液。在碳纳米管分散原液中加入分散剂，利用溶剂置换作用，获得各种碳纳米管分散液。
在本发明中，在碱金属和液氨条件下进行碳纳米管的分散，无需超声、球磨或强酸氧化处理就能得到稳定的碳纳米管分散液。由于碳纳米长度和表面结构没有遭到破坏，仍保持其优异的导电性能，有望在电池导电剂领域得到应用。本发明方法简单，无需超声和球磨作用，不破坏碳纳米管长度、表面结构和导电性，所制得的碳纳米管分散液性质稳定均一。
附图说明
图1为原始多壁碳纳米管的SEM照片。
图2为经分散处理后多壁碳纳米管的SEM照片。该结果表明，分散后碳纳米管长度未发生改变。
图3为经分散处理后多壁碳纳米管的Raman光谱图。该结果表明，分散后碳纳米管的表面碳晶格未被破坏。
图4为本发明得到的碳纳米管各种分散液照片。该结果表明，制备的碳纳米管分散液分散均一。
具体实施方式
以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。
实施例1：将500mL的四颈烧瓶置于低温浴中，低温浴设置温度为-78℃，通入氨气，冷凝得到150mL液氨。在600rpm磁力搅拌条件下向溶液中加入50mg单壁碳纳米管，将单壁碳纳米管充分分散于液氨中，然后再向溶液中加入20mg金属钠，得到深蓝色的碳纳米管分散原液。继续搅拌分散8h后，加入25mL的N-甲基吡咯烷酮(NMP)，搅拌2h后去除低温浴，待液氨挥发完即可得到稳定的碳纳米管分散液。
实施例2：将500mL的四颈烧瓶置于低温浴中，低温浴设置温度为-50℃，通入氨气，冷凝得到200mL液氨。在400rpm磁力搅拌条件下向溶液中加入1.0g多壁碳纳米管，将多壁碳纳米管充分分散于液氨中，然后再向溶液中加入50mg金属钾，得到深蓝色的碳纳米管分散原液，继续搅拌分散2h后，加入50mL的四氢呋喃(THF)，搅拌4h后去除低温浴，待液氨挥发完即可得到稳定的碳纳米管分散液。
实施例3：将500mL的四颈烧瓶置于低温浴中，低温浴设置温度为-35℃，通入氨气，冷凝得到100mL液氨。在500rpm磁力搅拌条件下向溶液中加入250mg双壁碳纳米管，将双壁碳纳米管充分分散于液氨中，然后再向溶液中加入20mg金属钠钾合金，得到深蓝色的碳纳米管分散原液，继续搅拌分散12h后，加入100毫升的N，N-二甲基甲酰胺(DMF)，去除低温浴，待液氨挥发完即可得到稳定分散的碳纳米管分散液。
实施例4：将500mL的四颈烧瓶置于低温浴中，低温浴设置温度为-60℃，通入氨气，冷凝得到200mL液氨。在600rpm磁力搅拌条件下向溶液中加入50mg单壁碳纳米管和50mg多壁碳纳米管，将混合的碳纳米充分分散于液氨中，然后再向溶液中加入100mg钠，得到深蓝色的碳纳米管分散原液，继续搅拌分散24h后，加入40毫升的乙二醇二甲醚(1,2-DME)，最后升温挥发液氨，待液氨挥发完即可得到稳定分散的碳纳米管分散液。
原始多壁碳纳米管的SEM照片参见图1。经分散处理后多壁碳纳米管的SEM照片参见图2，由图2可以看出，分散后碳纳米管长度未发生改变。经分散处理后多壁碳纳米管的Raman光谱图参见图3，由图3可以看出，分散后碳纳米管的表面碳晶格未被破坏。本发明得到的碳纳米管各种分散液照片参见图4，由图4可以看出，制备的碳纳米管分散液分散均一。

Claims (9)

1.一种碳纳米管的非破坏性分散方法，其特征在于其具体步骤如下：
1)在低温浴条件下冷凝氨气得到液氨，在磁力搅拌和氮气保护条件下，加入碳纳米管，搅拌后加入碱金属，得到碳纳米管分散原液；
2)在步骤1)得到的碳纳米管分散原液中加入分散剂，分散后，撤去低温浴，升温挥发液氨后即得稳定的碳纳米管分散液。
2.如权利要求1所述一种碳纳米管的非破坏性分散方法，其特征在于在步骤1)中，所述低温浴条件的温度为-78～-35℃。
3.如权利要求1所述一种碳纳米管的非破坏性分散方法，其特征在于在步骤1)中，所述碳纳米管的加入量按质量百分比为0.1％～15％。
4.如权利要求3所述一种碳纳米管的非破坏性分散方法，其特征在于所述碳纳米管的加入量按质量百分比为0.05％～5％。
5.如权利要求1所述一种碳纳米管的非破坏性分散方法，其特征在于在步骤1)中，所述碳纳米管选自单壁碳纳米管、双壁碳纳米管、多壁碳纳米管中的至少一种。
6.如权利要求1所述一种碳纳米管的非破坏性分散方法，其特征在于在步骤1)中，所述碱金属选自锂、钠、钾中的一种或其合金。
7.如权利要求1所述一种碳纳米管的非破坏性分散方法，其特征在于在步骤1)中，加入碱金属和碳纳米管含碳原子的摩尔比为(20～0.02)︰1。
8.如权利要求1所述一种碳纳米管的非破坏性分散方法，其特征在于在步骤2)中，所述分散剂选自N-甲基吡咯烷酮、四氢呋喃、N，N-二甲基甲酰胺、乙二醇二甲醚中的一种。
9.如权利要求1所述一种碳纳米管的非破坏性分散方法，其特征在于在步骤2)中，所述分散的时间为0.5～24h。
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