CN108892122B

CN108892122B - 一种溶液燃烧制备碳纳米管的方法

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Publication number: CN108892122B
Application number: CN201811008066.XA
Authority: CN
Inventors: 李晓锋; 韩霜; 戴千; 李伟; 闵芃; 于中振
Original assignee: Beijing University of Chemical Technology
Current assignee: Beijing University of Chemical Technology
Priority date: 2018-08-31
Filing date: 2018-08-31
Publication date: 2020-10-27
Anticipated expiration: 2038-08-31
Also published as: CN108892122A

Abstract

本发明涉及一种溶液燃烧制备碳纳米管的方法，采用在基底上点燃乙酰丙酮铁等前驱体的溶液的方法来制备碳纳米管：在基底上充分浸润乙酰丙酮铁等前驱体的溶液，点燃后燃烧，体系温度升高，乙酰丙酮铁等前驱体分解成金属纳米粒子和有机小分子碳源，金属纳米粒子催化有机小分子碳源生成碳纳米管。该方法制备碳纳米管工艺简单，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

一种溶液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，涉及燃烧法制备碳纳米管的方法，尤其是一种溶液燃烧制备碳纳米管的方法。

背景技术

碳是地球上最丰富的元素之一，长期以来人们认为碳的单质只有石墨和金刚石，直到 1985 年 Smalley等在研究星际间碳尘的过程中，发现了富勒烯——C₆₀的存在，并用烟火法在实验室成功制得了C₆₀，C₆₀的发现将人们带入一个全新而丰富的碳元素的世界，碳纳米管、碳微米管和石墨烯等多种碳结构逐渐进入人们的视线，碳纳米管作为 C₆₀制备的副产物，较早被人们发现。

碳纳米管是由单层或多层石墨片围绕同一中心轴按一定的螺旋角卷曲而成的无缝纳米级管结构，两端通常被由五元环和七元环参与形成的半球形大富勒烯分子封住，每层纳米管的管壁是一个由碳原子通过sp²化与周围3个碳原子完全键合后所构成的六边形网络平面所围成的圆柱面。

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，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，一种溶液燃烧制备碳纳米管的方法，将前驱体溶解在溶剂中，经超声搅拌形成稳定的溶液，将基底浸泡于溶液中取出或将溶液铺展在基底上，点燃，燃烧完毕得到碳纳米管。

在本发明的优选的实施方案中，所述的方法具体包括以下步骤：

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：点火——基底靠近打火机火焰点燃；

步骤4：成品——燃烧完毕，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、块状或片状平面基底、或纤维束或纤维布基底；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；所述的块状或片状平面基底为铝箔、铜箔、钛等金属片，陶瓷片或玻璃；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。

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，所述的充分浸润是将基底浸泡于溶液中取出或直接将溶液滴在基底上铺展。

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，本发明提供的溶液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，在基底上充分浸润前驱体溶液，溶液点燃燃烧，体系温度升高，前驱体分解成金属纳米离子和有机小分子，金属纳米粒子催化有机小分子生成碳纳米管，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，对设备要求低，能耗小，操作简单，生长温度低，对环境污染小，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中通过溶液燃烧法使用浓度为30 mg/mL的乙酰丙酮铁的乙醇溶液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中通过溶液燃烧法使用浓度为30 mg/mL的乙酰丙酮铁的乙醇溶液和铝片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中通过溶液燃烧法使用浓度为30 mg/mL的乙酰丙酮铁的乙醇溶液和铜箔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中通过溶液燃烧法使用浓度为30 mg/mL的乙酰丙酮铁的乙醇溶液和碳布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中通过溶液燃烧法使用浓度为10 mg/mL的乙酰丙酮铁的乙醇溶液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中通过溶液燃烧法使用浓度为30 mg/mL的乙酰丙酮铁的甲醇溶液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中通过溶液燃烧法使用浓度为15 mg/mL的二茂钴的乙醇溶液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是本发明实例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溶液燃烧法使用浓度为30 mg/mL的乙酰丙酮铁的乙醇溶液和镍泡沫基底所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：点火——基底靠近打火机火焰点燃，燃烧时间约为20 s。

步骤4：成品——燃烧结束完毕，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通过溶液燃烧法使用浓度为30 mg/mL的乙酰丙酮铁的乙醇溶液和铝片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——取铝片浸泡在丙酮中，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5*5 cm裁剪好的铝片浸泡在上述溶液中，用力震荡1 min，使乙酰丙酮铁乙醇溶液在铝箔表面铺展开。

步骤3：点火——基底靠近火柴火焰点燃，燃烧时间约为20 s。

步骤4：成品——燃烧结束完毕，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溶液燃烧法使用浓度为30 mg/mL的乙酰丙酮铁的乙醇溶液和铜箔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——取铜箔浸泡在丙酮中，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5*5 cm裁剪好的铜箔浸泡在上述溶液中，用力震荡1 min，使乙酰丙酮铁乙醇溶液在铜箔表面铺展开。

步骤3：点火——基底靠近打火机火焰点燃，燃烧时间约为10 s。

步骤4：成品——燃烧结束完毕，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燃烧法使用浓度为30 mg/mL的乙酰丙酮铁的乙醇溶液和碳布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——取碳布浸泡在丙酮中，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5*5 cm裁剪好的碳布浸泡在上述溶液中，用力震荡1 min。

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燃烧法使用浓度为10 mg/mL的乙酰丙酮铁的乙醇溶液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2：浸润——将乙酰丙酮铁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：点火——基底靠近酒精灯火焰点燃，燃烧时间约为20 s。

步骤4：成品——燃烧结束完毕，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燃烧法使用浓度为30 mg/mL的乙酰丙酮铁的甲醇溶液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裁剪好的镍泡沫浸泡在上述溶液中，用力震荡1 min。

步骤4：成品——燃烧结束完毕，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燃烧法使用浓度为15 mg/mL的二茂钴的乙醇溶液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2：浸润——将二茂钴1.5 g溶解100 mL的无水叔丁醇中，超声振荡30 min，搅拌5 min，使得乙酰丙酮铁充分溶解在叔丁醇中，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4：成品——燃烧结束完毕，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，可见通过溶液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通过水蒸馏进行水处理，如图8，经测试，其在一个太阳光强度(1 kW/m²)下，蒸发量可以达到1.47 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

1.一种溶液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，经超声搅拌形成稳定的溶液，将基底浸泡于溶液中取出或将溶液铺展在基底上，点燃，燃烧完毕得到碳纳米管，所述的方法具体包括以下步骤：

步骤1：预处理——任选的对基底进行清洗和烘干；

步骤3：点火——基底靠近打火机火焰点燃；

步骤4：成品——燃烧结束，即得目标产物；

所述的前驱体选自乙酰丙酮类金属盐或二茂金属盐，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；所述溶剂选自乙醇、甲醇、叔丁醇中的一种或几种。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的前驱体溶液的浓度为10-30 mg/mL。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的基底为泡沫状基底、块状或片状平面基底、或纤维束或纤维布基底；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；所述的块状或片状平面基底为铝箔、铜箔、钛等金属片，陶瓷片或玻璃；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。

4.根据权利要求1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取出或直接将溶液滴在基底上铺展。

5.权利要求1-4中任一项所述的方法制备得到的碳纳米管。