CN109722644B - 碳纳米杂化材料的表面改性方法 - Google Patents
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Abstract
一种先进材料技术领域碳纳米杂化材料的表面改性方法，包括以下步骤：S1，对碳纳米管和石墨烯进行物理超声共混制得三维碳纳米杂化材料，再与镀层材料粉体、碘粉混合均匀并压实，制成电热元件；S2，将电热元件连接于脉冲电路中，在真空条件下通脉冲电流，镀层材料粉体与碘粉受热发生原位反应，形成碘化物蒸气，进一步加热后，碘化物发生可逆反应分解，在三维碳纳米杂化材料表面生成纳米镀层并释放碘蒸气；S3，通惰性气体吹扫杂质并降温，完成三维碳纳米杂化材料的表面改性。本发明利用石墨基材料优异的导热性，通过脉冲电加热的方式，合成碘化物再热分解，在三维碳纳米杂化材料表面生成镀层，制备工艺简单，能够实现工业化生产。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种先进材料领域的技术，具体是一种碳纳米杂化材料的表面改性方法。
背景技术
碳纳米管材料在超级电容、锂电池、环境处理等领域具有广阔的应用前景。对碳纳米管进行表面改性能够进一步提高其物理化学性能。但是传统的表面改性方法中需采用氧化、敏化、活化工艺对碳纳米管进行预处理，以改善碳纳米管的活化能力，过程复杂，工艺控制困难，不利于工业化生产。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出了一种碳纳米杂化材料的表面改性方法，通过脉冲电加热的方式，合成碘化物再热分解，在三维碳纳米杂化材料表面生成镀层，制备工艺简单，能够实现工业化生产。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明包括以下步骤：
S1，对碳纳米管和石墨烯进行物理超声共混制得三维碳纳米杂化材料，再将三维碳纳米杂化材料与镀层材料粉体、碘粉混合均匀并压实，制成电热元件；
S2，将电热元件连接于脉冲电路中，在真空条件下通脉冲电流；电热元件受到焦耳热冲击，镀层材料粉体与碘粉受热发生原位反应，从而形成碘化物蒸气，进一步加热后，碘化物发生可逆反应分解，在三维碳纳米杂化材料表面生成纳米镀层并释放碘蒸气；
S3，通惰性气体吹扫杂质并降温，完成三维碳纳米杂化材料的表面改性。
所述镀层材料粉体包括硅粉、镍粉和钛粉中任意一种。
技术效果
与现有技术相比，本发明具有如下技术效果：
1)物理超声共混过程中碳纳米管与石墨烯通过π–π超分子作用结合成稳定的杂化体，分散性好，且物理化学性能得到了增强，具有良好的导热及化学稳定性；
2)通过脉冲电加热的方式，三维碳纳米杂化材料实现自加热(Q＝I2Rt)，碘粉与镀层粉末受热合成碘化物再热分解，在三维碳纳米杂化材料表面生成纳米级镀层，无需顾虑碳纳米管的活化能力，制备工艺简单，能够实现工业化生产。
附图说明
图1为本发明实施例中晶须状多壁碳纳米管的SEM图；
图2为实施例1制得的镀镍三维碳纳米杂化材料的SEM图；
图3为实施例1制得的镀镍三维碳纳米杂化材料的XRD图谱。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式对本发明进行详细描述。
本发明包括以下步骤：
S1，对碳纳米管和石墨烯进行物理超声共混制得三维碳纳米杂化材料，再将三维碳纳米杂化材料与镀层材料粉体、碘粉混合均匀并压实，制成电热元件；
S2，将电热元件连接于脉冲电路中，在真空条件下通脉冲电流；电热元件受到焦耳热冲击，镀层材料粉体与碘粉受热发生原位反应，从而形成碘化物蒸气，进一步加热后，碘化物发生可逆反应分解，在三维碳纳米杂化材料表面生成纳米镀层并释放碘蒸气；
S3，将生成镀层的三维碳纳米杂化材料降温并通氩气吹扫排除碘蒸气，完成三维碳纳米杂化材料的表面改性。
所述脉冲电流的电流大小为10mA-100A，电流脉冲时间为0.1-10s。
所述镀层材料粉体包括硅粉、镍粉和钛粉中任意一种。
所述生成的镀层由颗粒状晶体组成，晶体粒径为5-50nm。
所述三维碳纳米杂化材料与镀层材料粉体的摩尔比为1：0.5-3。
所述碳纳米管与石墨烯的重量比为1：0.8-2。
实施例1
本实施例对三维碳纳米杂化材料镀镍进行表面改性，过程如下：
S1，将72g石墨烯(江南石墨烯研究院，纯度大于98％)与72g晶须状多壁碳纳米管(苏州第一元素纳米技术有限公司，长5-10μm，直径50-90nm，纯度大于99％，如图1所示)物理超声共混制得三维碳纳米杂化材料，再将制得的三维碳纳米杂化材料与708g镍粉(平均粒径80μm)、354g碘粉混合均匀再压实制得电热元件；
S2，将电热元件连接于脉冲电路中；再抽真空、通氩气，重复操作5次，彻底排除空气，再抽真空，使电热元件处于真空状态下，真空度保持在7.8×10-7mbar；
S3，采用脉冲电加热模式，通入电流大小为1A，电流脉冲在1s内产生焦耳热冲击，镍粉、碘粉和三维碳纳米杂化材料混合物的温度急剧升高至600℃，镍粉与碘粉受热发生原位反应，形成碘化镍蒸气，继续通入1.5A的脉冲电流，加热三维碳纳米杂化材料至800℃碘化镍分解，在三维碳纳米杂化材料表面生成粒径为10-50nm的镍纳米晶粒，同时产生碘蒸气；
S4，使得镀有镍的三维碳纳米杂化材料的温度降至110-200℃范围内，通氩气吹扫排除碘蒸气，完成三维碳纳米杂化材料镀镍改性。
通过扫描电子显微镜和X射线衍射仪对本实施例制得的镀镍三维碳纳米杂化材料进行结构表征，得到图2所示SEM图和图3所示XRD图谱，显示三维碳纳米杂化材料分散效果好，无明显团聚现象，纳米镍的晶粒尺寸在40nm左右，均匀的分布在三维碳纳米杂化材料表面，且制得的镀镍三维碳纳米杂化材料纯度较高。
需要强调的是：以上仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (6)
1.一种碳纳米杂化材料的表面改性方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，对碳纳米管和石墨烯进行物理超声共混制得三维碳纳米杂化材料，再将三维碳纳米杂化材料与镀层材料粉体、碘粉混合均匀并压实，制成电热元件；
S2，将电热元件连接于脉冲电路中，在真空条件下通脉冲电流；电热元件受到焦耳热冲击，镀层材料粉体与碘粉受热发生原位反应，从而形成碘化物蒸气，进一步加热后，碘化物发生可逆反应分解，在三维碳纳米杂化材料表面生成纳米镀层并释放碘蒸气；
S3，通惰性气体吹扫杂质并降温，完成三维碳纳米杂化材料的表面改性。
2.根据权利要求1所述碳纳米杂化材料的表面改性方法，其特征是，所述脉冲电流的电流大小为10mA-100A，电流脉冲时间为0.1-10s。
3.根据权利要求1所述碳纳米杂化材料的表面改性方法，其特征是，所述镀层材料粉体包括硅粉、镍粉和钛粉中任意一种。
4.根据权利要求1所述碳纳米杂化材料的表面改性方法，其特征是，所述生成的镀层由颗粒状晶体组成，晶体粒径为5-50nm。
5.根据权利要求1所述碳纳米杂化材料的表面改性方法，其特征是，所述三维碳纳米杂化材料与镀层材料粉体的摩尔比为1：0.5-3。
6.根据权利要求5所述碳纳米杂化材料的表面改性方法，其特征是，所述三维碳纳米杂化材料中碳纳米管与石墨烯的重量比为1：0.8-2。
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