CN108862243A - 一种自蔓延燃烧制备碳纳米管的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自蔓延燃烧制备碳纳米管的方法，在基底上充分浸润乙酰丙酮铁等前驱体的溶液，干燥后，基底的一角在接触到火焰时点燃，迅速撤离火源后，前驱体燃烧从一端向另一端蔓延，燃烧结束后生成碳纳米管。该方法制备碳纳米管制备简单，操作方便，不需要额外的设备，对环境的污染小，可实现宏量制备。制备的碳纳米管和基底的复合材料可用于光热转化，超级电容器，锂离子电池，吸波和电磁屏蔽等。

Description

一种自蔓延燃烧制备碳纳米管的方法

技术领域

本发明属于材料制备的技术领域，具体涉及一种自蔓延燃烧制备碳纳米管的方法。

背景技术

纳米材料被认为是跨世纪材料研究领域的热点，有“21世纪最有前途的材料”的美誉。而1991年11月日本电气公司(NEC)基础研究实验室的饭岛钝雄(Sumio Lijima)所发现的碳纳米管，作为新型的纳米材料。以其独特的物理、化学特征、重要的基础研究意义及在分子器件和复合材料等领域的潜在应用价值，日益受到人们的关注。

碳纳米管又称巴基管(Buckytube)，属富勒碳系，它主要是由石墨的碳原子层卷曲成圆柱状,径向尺寸很小的碳管。管壁一般由碳六边形环构成，此外，还有一些五边形碳环和七边形碳环对存在于碳纳米管的弯曲部位，碳管的直径一般在1纳米到30纳米之间，而长度可达微米级。这种针状的碳管，管壁有单层，也有多层，分别称之为单壁和多壁碳纳米管。一般说来，多壁碳纳米管是由许多柱状碳管同轴套构而成，层数在2-50层之间不等。层与层之间距离约为0.34纳米，与石墨中碳原子层与层之间的距离0.335纳米为同一数量级。

目前，碳纳米管主要采用以下几种方法来制备电弧法，石墨激光蒸发法，含碳化合物的催化裂解法，凝聚相电解生成法，等离子喷射沉积法，微波法等。但是，这些方法存在一定的缺陷，如对设备的要求较高，能耗较大，碳源的利用率较小，制备工艺较为复杂，同时，这些合成方法需要严苛的实验条件，比如惰性气体保护，高温高压等，大大提高了合成过程的中的危险性。

发明内容

为了解决现有技术中提到的上述问题，本发明提供了一种简单易行，快速高效制备碳纳米管的方法。就现有的对于碳纳米管的研究而言，扩展了制备碳纳米管的途径。该方法制备碳纳米管制备简单，操作方便，不需要额外的设备，对环境的污染小，可实现宏量制备。

本发明采用如下技术方案，一种自蔓延燃烧制备碳纳米管的方法，将前驱体溶解在溶剂中得到前驱体溶液，用所述的前驱体溶液充分浸润基底，干燥后，前驱体均匀分散在基底上，点燃一角，撤离火源后，燃烧从一端向另一端蔓延，燃烧结束后生成碳纳米管。

在本发明的优选的实施方案中，所述的方法具体包括如下步骤：

步骤1：预处理——任选的对基底进行清洗和烘干；

步骤2：浸润——将前驱体溶解在溶剂中得到前驱体溶液，用所述的前驱体溶液充分浸润基底；

步骤3：干燥——将充分浸润的基底干燥备用；

步骤4：点火——基底靠近火柴火焰点燃；

步骤5：成品——燃烧结束，即得目标产物。

在本发明的优选的实施方案中，所述的前驱体选自乙酰丙酮类金属盐或二茂金属盐；优选的，所述的乙酰丙酮类金属盐选自乙酰丙酮铁、乙酰丙酮钴中的一种或多种，所述的二茂金属盐选自二茂镍、二茂钴中的一种或多种；所述的前驱体溶液的浓度为1-90 mg/mL，优选 10-30 mg/mL。

在本发明的优选的实施方案中，所述溶剂选自乙醇、甲醇、叔丁醇等溶剂中的一种或几种。

在本发明的优选的实施方案中，所述的基底为泡沫状基底、纤维束基底或纤维布基底；优选的，所述的泡沫状基底为镍泡沫、铜泡沫、铁/镍泡沫或其他金属/合金泡沫或陶瓷泡沫；所述的纤维束基底或纤维布基底所用纤维为金属/合金纤维或玻璃、陶瓷、碳等纤维。

在本发明的优选的实施方案中，所述的点燃包括火柴、打火机、酒精灯等方式点燃，也可通过其他各种常用点燃方法。

在本发明的优选的实施方案中，所述的干燥方法为室温干燥或鼓风加热干燥。

在本发明的优选的实施方案中，所述的充分浸润是将基底浸泡于溶液中或直接将溶液滴在基底上。

在本发明的优选的实施方案中，所述的自蔓延燃烧是指前驱体自燃烧。

本发明还保护所述的方法制备得到的碳纳米管。

与现有的碳纳米管制备技术，本发明提供的自蔓延燃烧制备碳纳米管的方法具有如下优点：

（1）本发明通过前驱体溶液与基底的配合，直接采用原位生长的方法，不需要通入气体碳源，在基底表面或者骨架上通过一步法实现均匀的生长。

（2）本发明制备方法简单，操作方便，对设备要求低，不需要额外的设备，能耗小，操作简单，生长温度低，对环境污染小，可实现宏量制备。制备的碳纳米管和基底的复合材料在光热转化，超级电容器，锂离子电池，吸波和电磁屏蔽等方面都有广泛的应用前景。

附图说明

以下结合附图对本发明作进一步说明, 附图仅对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。

图1是本发明实施例1中通过自蔓延燃烧法使用乙酰丙酮铁和镍泡沫基底所制备的碳纳米管扫描电子显微镜图片。

图2是本发明实施例2中通过自蔓延燃烧法使用乙酰丙酮铁和铜泡沫基底所制备的碳纳米管扫描电子显微镜图片。

图3是本发明实施例3中通过自蔓延燃烧法使用乙酰丙酮铁和铁/镍泡沫基底所制备的碳纳米管扫描电子显微镜图片。

图4是本发明实施例4中通过自蔓延燃烧法使用乙酰丙酮铁和玻璃纤维基底基底所制备的碳纳米管扫描电子显微镜图片。

图5是本发明实施例5中通过自蔓延燃烧法使用乙酰丙酮钴和镍泡沫基底所制备的碳纳米管扫描电子显微镜图片。

图6是本发明实施例6中通过自蔓延燃烧法使用二茂镍和镍泡沫基底所制备的碳纳米管扫描电子显微镜图片。

图7是本发明实施例7中通过自蔓延燃烧法使用二茂钴和镍泡沫基底所制备的碳纳米管扫描电子显微镜图片。

图8为本发明实例1中的样品在一个太阳光强度(1 kW/m²)下的光照蒸发测试性能的曲线图。

具体实施方式

以下，结合附图将对本发明的较佳实施方式作出详细的说明，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

实施例1

本发明的第一实施方式提供了一种通过自蔓延燃烧法使用前驱体乙酰丙酮铁和镍泡沫基底制备碳纳米管的方法。所述方法包括如下步骤：

步骤1：预处理——取镍泡沫浸泡在丙酮中，超声15 min，再依次用乙醇，水各清洗2次，每次超声15 min，真空烘干备用。

步骤2：浸润——将乙酰丙酮铁3 g溶解100 mL的无水乙醇中，超声振荡30 min，搅拌5 min，使得乙酰丙酮铁充分溶解在乙醇中，取1*2 cm裁剪好的镍泡沫浸泡在上述溶液中，用力震荡1 min。

步骤3：烘干——将充分浸润的镍泡沫置于60 ^oC鼓风烘箱中，烘干备用。

步骤4：点火——基底靠近打火机火焰点燃，燃烧时间约为5 s。

步骤5：成品——燃烧结束完毕，取样，即可得目标产物。

实施例2

本发明的第二实施方式提供了一种在通过自蔓延燃烧法使用前驱体乙酰丙酮铁和铜泡沫基底制备碳纳米管的方法。所述方法包括如下步骤：

步骤1：预处理——取铜泡沫浸泡在丙酮中，超声15 min，再依次用乙醇，水各清洗2次，每次超声15 min，真空烘干备用。

步骤2：浸润——将乙酰丙酮铁3 g溶解100 mL的无水乙醇中，超声振荡30 min，搅拌5 min，使得乙酰丙酮铁充分溶解在乙醇中，取1*2 cm裁剪好的铜泡沫浸泡在上述溶液中，用力震荡1 min。

步骤3：烘干——将充分浸润的铜泡沫置于60 ^oC鼓风烘箱中，烘干备用。

步骤4：点火——基底靠近火柴火焰点燃，燃烧时间约为5 s。

步骤5：成品——燃烧结束完毕，取样，即可得目标产物。

实施例3

本发明的第三实施方式提供了一种通过自蔓延燃烧法使用前驱体乙酰丙酮铁和铁/镍泡沫基底制备碳纳米管的方法。

步骤1：预处理——取铁/镍泡沫浸泡在丙酮中，超声15 min，再依次用乙醇，水各清洗2次，每次超声15 min，真空烘干备用。

步骤2：浸润——将乙酰丙酮铁3 g溶解100 mL的无水甲醇中，超声振荡30 min，搅拌5 min，使得乙酰丙酮铁充分溶解在甲醇中，取1*2 cm裁剪好的铁/镍泡沫浸泡在上述溶液中，用力震荡1 min。

步骤3：烘干——将充分浸润的铁/镍泡沫置于60 ^oC鼓风烘箱中，烘干备用。

步骤4：点火——基底靠近打火机火焰点燃，燃烧时间约为5 s。

步骤5：成品——燃烧结束完毕，取样，即可得目标产物。

实施例4

本发明的第四实施方式提供了一种通过自蔓延燃烧法使用前驱体乙酰丙酮铁和玻璃纤维制备碳纳米管的方法。所述方法包括如下步骤：

步骤1：浸润——将乙酰丙酮铁3 g溶解100 mL的无水乙醇中，超声振荡30 min，搅拌5min，使得乙酰丙酮铁充分溶解在乙醇中，取1*2 cm裁剪好的玻璃纤维浸泡在上述溶液中，用力震荡1 min。

步骤2：烘干——将充分浸润的玻璃纤维置于60 ^oC鼓风烘箱中，烘干备用。

步骤3：点火——基底靠近打火机火焰点燃，燃烧时间约为5 s。

步骤4：成品——燃烧结束完毕，取样，即可得目标产物。

实施例5

本发明的第五实施方式提供了一种通过自蔓延燃烧法使用前驱体乙酰丙酮钴和镍泡沫制备碳纳米管的方法。所述方法包括如下步骤：

步骤1：预处理——取镍泡沫浸泡在丙酮中，超声15 min，再依次用乙醇，水各清洗2次，每次超声15 min，真空烘干备用。

步骤2：浸润——将乙酰丙酮钴1 g溶解100 mL的无水乙醇中，超声振荡30 min，搅拌5 min，使得乙酰丙酮钴充分溶解在乙醇中，取1*2 cm裁剪好的镍泡沫浸泡在上述溶液中，用力震荡1 min。

步骤3：烘干——将充分浸润的镍泡沫置于60 ^oC鼓风烘箱中，烘干备用。

步骤4：点火——基底靠近火柴火焰点燃，燃烧时间约为5 s。

步骤5：成品——燃烧结束完毕，取样，即可得目标产物。

实施例6

本发明的第六实施方式提供了一种通过自蔓延燃烧法使用前驱体二茂镍和镍泡沫制备碳纳米管的方法。所述方法包括如下步骤：

步骤1：预处理——取镍泡沫浸泡在丙酮中，超声15 min，再依次用乙醇，水各清洗2次，每次超声15 min，真空烘干备用。

步骤2：浸润——将二茂镍3 g溶解100 mL的无水乙醇中，超声振荡30 min，搅拌5min，使得二茂镍充分溶解在乙醇中，取1*2 cm裁剪好的镍泡沫浸泡在上述溶液中，用力震荡1 min。

步骤3：烘干——将充分浸润的镍泡沫置于60 ^oC鼓风烘箱中，烘干备用。

步骤4：点火——基底靠近打火机外焰，燃烧时间约为5 s。

步骤5：成品——燃烧结束完毕，取样，即可得目标产物。

实施例7

本发明的第七实施方式提供了一种通过自蔓延燃烧法使用前驱体二茂钴和镍泡沫制备碳纳米管的方法。所述方法包括如下步骤：

步骤1：预处理——取镍泡沫浸泡在丙酮中，超声15 min，再依次用乙醇，水各清洗2次，每次超声15 min，真空烘干备用。

步骤2：浸润——将二茂钴1 g溶解100 mL的无水乙醇中，超声振荡30 min，搅拌5min，使得二茂钴充分溶解在乙醇中，取1*2 cm裁剪好的镍泡沫浸泡在上述溶液中，用力震荡1 min。

步骤3：烘干——将充分浸润的镍泡沫置于60 ^oC鼓风烘箱中，烘干备用。

步骤4：点火——基底靠近打火机外焰，燃烧时间约为5 s。

步骤5：成品——燃烧结束完毕，取样，即可得目标产物。

实施例1-7所制备的碳纳米管扫描电子显微镜图片如图1-7所示，可见通过自蔓延燃烧的方法可在不同的基底上生长出碳纳米管，是一种简单高效的碳纳米管的制备方法。将实施例1中的样品直接用于光热转化以热蒸馏的方式进行水净化，如图8，经测试，其在一个太阳光强度(1 kW/m²)下，蒸发速率可以达到1.5 kg/m²/h。

上面对本发明进行了示例性的描述，显然本发明的实现并不受上述方式的限制，凡未脱离本发明的方法构思和技术方案所作的等效实施方案或变更，如特征的组合、分割或重复，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种自蔓延燃烧制备碳纳米管的方法，其特征在于，将前驱体溶解在溶剂中得到前驱体溶液，用所述的前驱体溶液充分浸润基底，干燥后，前驱体均匀分散在基底上，点燃一角，撤离火源后，燃烧从一端向另一端蔓延，燃烧结束后生成碳纳米管。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的方法具体包括如下步骤：

步骤1：预处理——任选的对基底进行清洗和烘干；

步骤2：浸润——将前驱体溶解在溶剂中得到前驱体溶液，用所述的前驱体溶液充分浸润基底；

步骤3：干燥——将充分浸润的基底干燥备用；

步骤4：点火——基底靠近火焰点燃；

步骤5：成品——燃烧完毕，即得目标产物。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述的前驱体选自乙酰丙酮类金属盐或二茂金属盐；优选的，所述的乙酰丙酮类金属盐选自乙酰丙酮铁、乙酰丙酮钴中的一种或多种，所述的二茂金属盐选自二茂镍、二茂钴中的一种或多种；所述的前驱体溶液的浓度为1-90 mg/mL，优选 10-30 mg/mL。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述溶剂选自乙醇、甲醇、叔丁醇等中的一种或几种。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述的基底为泡沫状基底、纤维束基底或纤维布基底；所述的泡沫状基底为镍泡沫、铜泡沫、铁/镍泡沫或其他金属/合金泡沫或陶瓷泡沫；所述的纤维束基底或纤维布基底所用纤维为金属纤维或玻璃、陶瓷、碳等纤维。

6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述的点燃包括火柴、打火机、酒精灯等方式点燃。

7.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述的干燥方法为室温干燥或鼓风加热干燥。

8.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述的充分浸润是将基底浸泡于溶液中或直接将溶液滴在基底上。

9.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述的自蔓延燃烧是指前驱体自燃烧。

10.权利要求1-9中任一项所述的方法制备得到的碳纳米管。