CN108609608A - 一种制备具有良好韧性碳纳米薄膜的方法 - Google Patents

一种制备具有良好韧性碳纳米薄膜的方法 Download PDF

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周成冈
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Abstract

本发明公开了一种制备具有良好韧性碳纳米薄膜的方法，包括对碳管进行预处理；加入Co2+溶液和加入PMS溶液对碳管进行活化处理；将活化的碳管和磺化石墨烯配制成悬浮溶液；用表面活性剂浸泡滤膜；滤膜放置漏斗中，对悬浮液进行抽滤；抽滤结束后，在空气干燥，将滤膜撕下，即得到具有良好韧性碳纳米薄膜。本发明制备的碳纳米薄膜具有优良的电化学性能，可广泛应用于电池体系；本发明采用简单的抽滤方法得到韧性很好碳纳米薄膜，操作简单，膜厚度可以控制在合适的范围内，且韧性较好，可以用于柔性材料的制备。

Description

一种制备具有良好韧性碳纳米薄膜的方法
技术领域
本发明涉及碳纳米薄膜技术领域，尤其涉及一种制备具有良好韧性碳纳米薄膜的方法。
背景技术
碳纳米管(CNT)作为一维纳米材料，其特殊的结构使其具有优异的热学、力学和电学性能，使得碳纳米管在材料科学、物理学、电子学等领域展现出良好的应用前景。目前，关于碳纳米管的应用研究主要集中在复合材料、场发射显示器、储氢、传感器、超级电容以及导电聚合物等领域，许多应用领域都已取得重要进展。
利用碳纳米管制备的碳纳米薄膜具有许多优异的电学、场发射等性能，在多个领域具有巨大的应用前景。目前，关于利用碳纳米管制备的碳纳米薄膜的研究主要利用气相沉积方法，电化学方法，这些方法对仪器和实验环境要求很高，苛刻的制备条件限制了碳纳米薄膜的广泛应用。
发明内容
有鉴于此，本发明的实施例提供了一种方法简单，制得的碳纳米薄膜具有优良的电化学性能，韧性良好的制备具有良好韧性碳纳米薄膜的方法。
本发明的实施例提供一种制备具有良好韧性碳纳米薄膜的方法，包括以下步骤：
S1.称取碳管，并对碳管进行预处理；
S2.将经过预处理的碳管倒入烧瓶中，加入Co2+溶液，超声处理；
S3.向烧瓶中一次性加入部分的PMS溶液，置于油浴锅搅拌；
S4.用注射泵吸取部分的PMS溶液，并注射到烧瓶中，将烧瓶和注射泵之间连接管内的空气排尽；
S5.重新吸取部分的PMS溶液，并注射到烧瓶中，重复多次至烧瓶中加入PMS溶液体积是加入Co2+溶液体积的7倍以上；
S6.停止搅拌，取出烧瓶，抽滤，干燥，得到活化的碳管；
S7.将活化的碳管和磺化石墨烯配制成悬浮溶液；
S8.用表面活性剂浸泡滤膜；
S9.将步骤S8处理后的滤膜放置漏斗中，对步骤S7得到的悬浮液进行抽滤；
S10.抽滤结束后，在空气干燥，将滤膜撕下，即得到具有良好韧性碳纳米薄膜。
进一步，所述步骤S1中，对碳管进行预处理的具体方法为：
S1.1.称取碳管放入坩埚中，将坩埚放在马弗炉中煅烧；
S1.2.将煅烧后的碳管置于三口烧瓶中，加入去离子水和36％的浓盐酸，置于油浴锅搅拌；
S1.3.用盐酸浸泡，抽滤，洗涤，直到洗涤液为中性，干燥，研磨。
进一步，所述步骤S1.1中，将坩埚放在马弗炉中，设置升温程序以5℃/min的升温速率从室温升至470℃，470℃保持4h，再降温。
进一步，所述步骤S1.2中，油浴锅采用磁力搅拌器搅拌，搅拌时间为12h，油浴锅的油浴温度为40℃；所述步骤S1.3中，在鼓风干燥箱中干燥，干燥温度为60℃，干燥时间为12h。
进一步，所述步骤S2中，Co2+溶液通过在Co(NO3)2·6H2O中加入超纯水溶解得到。
进一步，所述步骤S3中，油浴锅的油浴温度为60℃。
进一步，所述注射泵以2.5mL/min速率将PMS溶液注射到烧瓶中。
进一步，所述步骤S6中，真空压在0.03MPa以上才能开始抽滤，真空干燥箱中进行干燥12h。
进一步，所述步骤S8中，表面活性剂为十二苯磺酸钠，滤膜选用孔径为0.15um、直径为50mm的亲水性混纤滤膜。
进一步，所述步骤S9中，采用沙氏漏斗抽滤，抽滤压力为0.01Mpa以下。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明制备的碳纳米薄膜具有优良的电化学性能，可广泛应用于电池体系；本发明采用简单的抽滤方法，将活化处理过得碳纳米管与石墨烯以合适的比例掺杂，在通过添加少量的交联剂，从而得到韧性很好碳纳米薄膜，操作简单，膜厚度可以控制在合适的范围内，且韧性较好，可以用于柔性材料的制备。
附图说明
图1是本发明一种制备具有良好韧性碳纳米薄膜的方法的一流程图。
图2是本发明一实施例制得的碳纳米薄膜的一示意图。
图3是本发明一实施例制得的碳纳米薄膜的另一示意图。
图4是现有方法制得的碳纳米薄膜的一示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
请参考图1，本发明的实施例提供了一种制备具有良好韧性碳纳米薄膜的方法，包括以下步骤：
S1.称取碳管，并对碳管进行预处理；
对碳管进行预处理的具体方法为：
S1.1.称取碳管放入坩埚中，将坩埚放在马弗炉中煅烧；优选地，将坩埚放在马弗炉中，设置升温程序以5℃/min的升温速率从室温升至470℃，470℃保持4h，再降温；
S1.2.将煅烧后的碳管置于三口烧瓶中，加入去离子水和36％的浓盐酸，置于油浴锅搅拌；油浴锅采用磁力搅拌器搅拌，搅拌时间为12h，油浴锅的油浴温度为40℃；
S1.3.用盐酸浸泡，抽滤，洗涤，直到洗涤液为中性，干燥，在鼓风干燥箱中干燥，干燥温度为60℃，干燥时间为12h；研磨，备用。
S2.将经过预处理的碳管倒入烧瓶中，加入Co2+溶液，Co2+溶液通过在Co(NO3)2·6H2O中加入超纯水溶解得到，超声处理；
S3.向烧瓶中一次性加入1/7的过一硫酸盐(PMS)溶液，置于油浴锅搅拌，油浴温度为60℃；
S4.用注射泵吸取1/7的PMS溶液，并注射到烧瓶中，优选地，注射泵以2.5mL/min速率将PMS溶液注射到烧瓶，将烧瓶和注射泵之间连接管内的空气排尽；
S5.重新5次吸取1/7的PMS溶液，并注射到烧瓶中，重复多次至烧瓶中加入PMS溶液体积是加入Co2+溶液体积的7倍以上；
S6.停止搅拌，取出烧瓶，抽滤，优选地，真空压在0.03MPa以上才能开始抽滤，干燥，优选地，真空干燥箱中进行干燥12h，得到活化的碳管；
S7.将活化的碳管和磺化石墨烯配制成悬浮溶液；
S8.用表面活性剂浸泡滤膜；表面活性剂优选为十二苯磺酸钠，滤膜优选使用孔径为0.15um、直径为50mm的亲水性混纤滤膜；
S9.将步骤S8处理后的滤膜放置漏斗中，对步骤S7得到的悬浮液进行抽滤，优选地，采用沙氏漏斗抽滤，抽滤压力为0.01Mpa以下；
S10.抽滤结束后，在空气干燥，将滤膜撕下，即得到具有良好韧性碳纳米薄膜。
本发明制备的碳纳米薄膜具有优良的电化学性能，可广泛应用于电池体系；本发明采用简单的抽滤方法，将活化处理过得碳纳米管与石墨烯以合适的比例掺杂，在通过添加少量的交联剂，从而得到韧性很好碳纳米薄膜，操作简单，膜厚度可以控制在合适的范围内，且韧性较好，可以用于柔性材料的制备。
实施例1
请参考图1，一种制备具有良好韧性碳纳米薄膜的方法，包括以下步骤：
碳管预处理：
用天平称取0.1027g TNM7碳管放入干净的刚玉坩埚中。将坩埚放在马弗炉中，设置升温程序以5℃/min的升温速率从室温升至470℃，470℃保持4h，再降温，将煅烧后的碳管置于500mL的三口烧瓶中，加入200mL去离子水、200mL36％的浓盐酸，加入大号磁子，置于油浴锅磁力搅拌器中40℃下搅拌12h。
用盐酸浸泡碳管，再进行抽滤洗涤，直到洗涤液为中性为止。
将样品置于鼓风干燥箱中60℃下烘干12h，研磨、称重、装袋，记为pCNTs。
PMS/Co2+活化预处理碳管：
0.1027g碳管，对应约为350ml(实际值为359ml)PMS溶液，对应约为50ml(实际值51.35ml)Co2+溶液。
配制50mL浓度为107mM的Co2+溶液：用万分之一天平称量1.5568g的Co(NO3)2·6H2O置于50mL小烧杯中，加超纯水搅拌溶解，再用玻璃棒引流倒入50mL容量瓶中开始配制，滴加超纯水时注意滴加终点在液面凹陷处与刻度线平齐之时。
称量：用万分之一天平称量0.1027g的预处理过的TNM7碳管，由于TNM7碳管呈粉末状较轻，称量时注意关空调和门窗避免气流吹走。称量完成后将其倒入三口烧瓶中，再一次性加入50mL的Co2+溶液，超声15min。
配制500mL浓度为64mM的PMS溶液：用万分之一天平称量19.7696g的PMS置于100mL小烧杯中，加超纯水超声溶解10min，再用玻璃棒引流倒入500mL容量瓶中开始配制，滴加超纯水时注意滴加终点在液面凹陷处与刻度线平齐之时。
将50mL的PMS溶液一次性倒入三口烧瓶中，加入磁子，置于60℃油浴锅内开始搅拌。
用注射泵按2.5mL/min速率注射PMS溶液于三口烧瓶中，第一次注射时要将注射泵和三口烧瓶连接管内的空气排尽，使连接管中充满PMS溶液，每20min注射结束后重新吸入PMS溶液50mL再继续注射，一共需要注射6次，共计注射300ml，记录每次取下和开始注射的时间，注射结束后停止搅拌，取出三口烧瓶准备抽滤。
抽滤：用滤膜铺垫漏斗进行抽滤，真空泵指针指到0.03MPa以上才能开始抽滤。抽滤过程中，反复多次用超纯水冲洗三口烧瓶将三口烧瓶内的溶液完全倒入漏斗中，抽滤时注意随时观察漏斗壁用超纯水少量多次沿边缘转圈冲洗，防止沉淀附着。
干燥：将抽滤得到的物质放入洁净的小烧杯中，放入真空干燥箱中进行干燥12h，后装入到小试管中。
抽滤成膜：
取干燥后活化的碳管和0.2438g磺化石墨烯(SGO)配置成2.2mg/mL的悬浮溶液，悬浮程度要好。
用十二苯磺酸钠(SDBS)浸泡孔径为0.15um,直径为50mm的亲水性混纤滤膜10min。
将混纤滤膜放置在沙氏漏斗中对悬浮液进行抽滤，抽滤压力为0.01Mpa以下，抽滤结束后，将抽滤得到和产物和混纤滤膜一起放入表面皿中，在空气中阴干后，再从混纤滤膜上缓慢撕下，即得到具有良好韧性碳纳米薄膜；如果采用电池中的隔膜充当滤膜，那么在抽滤完成后，无需剥下，可直接用于制作电极片，装电池。
本发明制得的碳纳米薄膜(如图2和图3所示)相对于现有方法制备的碳纳米薄膜(如图4所示)具有良好的韧性。
在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种制备具有良好韧性碳纳米薄膜的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.称取碳管，并对碳管进行预处理；
S2.将经过预处理的碳管倒入烧瓶中，加入Co2+溶液，超声处理；
S3.向烧瓶中一次性加入部分的PMS溶液，置于油浴锅中搅拌；
S4.用注射泵吸取部分的PMS溶液，并注射到烧瓶中，将烧瓶和注射泵之间连接管内的空气排尽；
S5.重新吸取部分的PMS溶液，并注射到烧瓶中，重复多次至烧瓶中加入PMS溶液体积是加入Co2+溶液体积的7倍以上；
S6.停止搅拌，取出烧瓶，抽滤，干燥，得到活化的碳管；
S7.将活化的碳管和磺化石墨烯配制成悬浮溶液；
S8.用表面活性剂浸泡滤膜；
S9.将步骤S8处理后的滤膜放置漏斗中，对步骤S7得到的悬浮液进行抽滤；
S10.抽滤结束后，在空气干燥，将滤膜撕下，即得到具有良好韧性碳纳米薄膜。
2.根据权利要求1所述的制备具有良好韧性碳纳米薄膜的方法，其特征在于，所述步骤S1中，对碳管进行预处理的具体方法为：
S1.1.称取碳管放入坩埚中，将坩埚放在马弗炉中煅烧；
S1.2.将煅烧后的碳管置于三口烧瓶中，加入去离子水和36％的浓盐酸，置于油浴锅搅拌；
S1.3.用盐酸浸泡，抽滤，洗涤，直到洗涤液为中性，干燥，研磨。
3.根据权利要求2所述的制备具有良好韧性碳纳米薄膜的方法，其特征在于，所述步骤S1.1中，将坩埚放在马弗炉中，设置升温程序以5℃/min的升温速率从室温升至470℃，470℃保持4h，再降温。
4.根据权利要求2所述的制备具有良好韧性碳纳米薄膜的方法，其特征在于，所述步骤S1.2中，油浴锅采用磁力搅拌器搅拌，搅拌时间为12h，油浴锅的油浴温度为40℃；所述步骤S1.3中，在鼓风干燥箱中干燥，干燥温度为60℃，干燥时间为12h。
5.根据权利要求1所述的制备具有良好韧性碳纳米薄膜的方法，其特征在于，所述步骤S2中，Co2+溶液通过在Co(NO3)2·6H2O中加入超纯水溶解得到。
6.根据权利要求1所述的制备具有良好韧性碳纳米薄膜的方法，其特征在于，所述步骤S3中，油浴锅的油浴温度为60℃。
7.根据权利要求1所述的制备具有良好韧性碳纳米薄膜的方法，其特征在于，所述注射泵以2.5mL/min速率将PMS溶液注射到烧瓶中。
8.根据权利要求1所述的制备具有良好韧性碳纳米薄膜的方法，其特征在于，所述步骤S6中，真空压在0.03MPa以上才能开始抽滤，真空干燥箱中进行干燥12h。
9.根据权利要求1所述的制备具有良好韧性碳纳米薄膜的方法，其特征在于，所述步骤S8中，表面活性剂为十二苯磺酸钠，滤膜选用孔径为0.15um、直径为50mm的亲水性混纤滤膜。
10.根据权利要求1所述的制备具有良好韧性碳纳米薄膜的方法，其特征在于，所述步骤S9中，采用沙氏漏斗抽滤，抽滤压力为0.01Mpa以下。
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