CN109911884A - 一种制备铂掺杂碳纳米管的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种制备铂掺杂碳纳米管的方法，该方法包含如下步骤，将单壁碳纳米管溶于酸溶液后，提取酸溶液中的碳纳米管；将所述碳纳米管与氯铂酸加入到碱的有机溶液中，并对得到的碳纳米管的碱溶液进行微波加热；对微波加热后的碳纳米管的碱溶液进行离心处理；对离心处理后的碳纳米管的碱溶液进行干燥处理，获得铂掺杂单壁碳纳米管。本发明引入了微波加热工艺用以还原氯铂酸，其加热快速均匀，安全简易的特点在很大程度上缩短了获取铂纳米颗粒的过程工艺。

Description

一种制备铂掺杂碳纳米管的方法

技术领域

本发明涉及属于微波应用领域和新型碳纳米管材料制备领域，特别是一种。

背景技术

碳纳米管材料独特的一维微观形貌赋予其丰富的孔隙结构、大的比表面积和高的反应活性，在气敏传感器领域倍受研究者的关注，被誉为极具潜力的纳米传感器材料。当气体分子与碳纳米管表面接触时，气体组分能够通过物理或化学吸附等形式与碳纳米管材料表面产生气敏响应特性，使得材料在电学或磁学性能上发生变化，实现对气体的灵敏性检测。尽管如此，本征的碳纳米管材料仅能对一些常见的小分子气体，如H2、NH3和CO等有较好的吸附传感能力，对于一些特殊领域中涉及到的有害气体无法实现敏感检测。如在电气工程领域，高电压绝缘设备内部缺陷导致的局部放电会在微水微氧的情况下将设备内填充的绝缘气体SF6分解为一系列特征组分，包括SO2F2，SOF2，HF和SOF4等，而本征碳纳米管对这些气体的传感能力是十分微弱的，无法实现有效的高灵敏度检测。

研究表明，在碳纳米管表面掺杂一些具有强催化作用的过渡金属，如铂、钯和镍等，可有效提高碳纳米管表面的反应活性，加强该材料对气体分子的吸附作用，使得材料的电子性能及能带结构等性质发生显著变化，通过检测这些变化即可实现其对气体的灵敏度检测。

制备掺杂碳纳米管的方法有很多种，包括离子交换法、化学沉淀法等，但这些方法往往无法得到纳米颗粒分布均匀、尺寸均一的金属掺杂碳纳米管。究其原因是因为这些方法在金属纳米颗粒在与碳纳米管溶液混合的操作中，无法充分实现金属纳米颗粒的尺寸均一化和混合的均匀化，导致金属纳米颗粒在碳纳米管表面上团簇现象的发生。这在很大程度上将影响碳纳米管材料的反应活性，降低碳纳米管的有效吸附面积，弱化掺杂材料对目标气体的传感能力。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明的目的就是提供一种制备铂掺杂碳纳米管的方法，引入微波加热有效解决现有方法在还原氯铂酸过程中铂纳米颗粒团簇的问题，促进其颗粒的均匀分散，获得尺寸较小且均一的铂颗粒。

本发明的目的之一是通过这样的技术方案实现的，一种制备铂掺杂碳纳米管的方法，该方法包含如下步骤，

将单壁碳纳米管溶于酸溶液后，提取酸溶液中的碳纳米管；

将所述碳纳米管与氯铂酸加入到碱的有机溶液中，并对得到的碳纳米管的碱溶液进行微波加热；

对微波加热后的碳纳米管的碱溶液进行离心处理；

对离心处理后的碳纳米管的碱溶液进行干燥处理，获得铂掺杂单壁碳纳米管。

可选的，所述酸溶液为硫酸和硝酸的混合溶液，所述将单壁碳纳米管溶于酸溶液后，提取酸溶液中的碳纳米管，包含如下步骤，

将单壁碳纳米管溶于硫酸和硝酸的混合溶液中；

对获得的混合溶液进行超声分散处理；

对经过超声分散处理的混合溶液进行离心处理，获得碳纳米管；

对获得的碳纳米管进行洗涤并烘干。

可选的，所述碱的有机溶液为乙二醇和氢氧化钠混合溶液。

可选的，所述对得到的碳纳米管的碱溶液进行微波加热包含，

将碳纳米管的碱溶液置于微波加热炉中按照第一指定时间加热两次；以及所述两次加热之间间隔第二指定时间。

可选的，所述单壁碳纳米管纯度大于95％，外径1-2nm，长度5-30μm，且所述对获得的碳纳米管进行洗涤之后的溶液呈中性。

可选的，所述将所述碳纳米管与氯铂酸加入到碱的有机溶液中之后，得到的碳纳米管的碱溶液的PH值大于11。

可选的，对得到的碳纳米管的碱溶液进行微波加热之后，所述方法还包含，

利用搅拌器对微波加热后的碳纳米管的碱溶液进行均匀搅拌。

可选的，对微波加热后的碳纳米管的碱溶液进行离心处理之后，该方法还包含，

对离心处理后的碳纳米管的碱溶液采用有机溶液进行冲洗。

可选的，采用有机溶液进行冲洗后的溶液呈中性。

可选的，所述对离心处理后的碳纳米管的碱溶液进行干燥处理，以及对获得的碳纳米管进行烘干均置于真空环境下进行。

由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：

与现有制备铂掺杂单壁碳纳米管的技术相比，本发明引入了微波加热工艺用以还原氯铂酸，其加热快速均匀，安全简易的特点在很大程度上缩短了获取铂纳米颗粒的过程工艺，整个还原过程只需三分半即可完成，并且制备所得铂纳米具有尺寸均一的特点，结合电磁匀速搅拌，实现了铂纳米颗粒在碳纳米管表面的均匀分布掺杂，这是碳纳米管负载型材料优良气敏传感性的先决条件。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。

附图说明

本发明的附图说明如下：

图1为本发明流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

为优化制备工艺，改善金属掺杂碳纳米管的气敏响应能力，本方法在掺杂金属纳米颗粒的过程中引入微波加热的工序，以铂掺杂碳纳米管为研究对象，实现纳米铂颗粒在碳纳米管材料表面的分布均匀化及尺寸均一化掺杂。

如图1所示，本发明为一种制备铂掺杂碳纳米管的方法，该方法包含如下步骤，

将单壁碳纳米管溶于酸溶液后，提取酸溶液中的碳纳米管；

将所述碳纳米管与氯铂酸加入到碱的有机溶液中，并对得到的碳纳米管的碱溶液进行微波加热；

对微波加热后的碳纳米管的碱溶液进行离心处理；

对离心处理后的碳纳米管的碱溶液进行干燥处理，获得铂掺杂单壁碳纳米管。

可选的，所述酸溶液为硫酸和硝酸的混合溶液，所述将单壁碳纳米管溶于酸溶液后，提取酸溶液中的碳纳米管，包含如下步骤，

将单壁碳纳米管溶于硫酸和硝酸的混合溶液中；

对获得的混合溶液进行超声分散处理；

对经过超声分散处理的混合溶液进行离心处理，获得碳纳米管；

对获得的碳纳米管进行洗涤并烘干。

可选的，所述碱的有机溶液为乙二醇和氢氧化钠混合溶液。

可选的，所述对得到的碳纳米管的碱溶液进行微波加热包含，

将碳纳米管的碱溶液置于微波加热炉中按照第一指定时间加热两次；以及所述两次加热之间间隔第二指定时间。

可选的，所述单壁碳纳米管纯度大于95％，外径1-2nm，长度5-30μm，且所述对获得的碳纳米管进行洗涤之后的溶液呈中性。

可选的，所述将所述碳纳米管与氯铂酸加入到碱的有机溶液中之后，得到的碳纳米管的碱溶液的PH值大于11。

可选的，对得到的碳纳米管的碱溶液进行微波加热之后，所述方法还包含，

利用搅拌器对微波加热后的碳纳米管的碱溶液进行均匀搅拌。

可选的，对微波加热后的碳纳米管的碱溶液进行离心处理之后，该方法还包含，

对离心处理后的碳纳米管的碱溶液采用有机溶液进行冲洗。

可选的，采用有机溶液进行冲洗后的溶液呈中性。

可选的，所述对离心处理后的碳纳米管的碱溶液进行干燥处理，以及对获得的碳纳米管进行烘干均置于真空环境下进行。

实施例一

S1，将单壁碳纳米管溶于硫酸和硝酸的混合溶液中超声分散，后离心碳纳米管并用蒸馏水洗涤，置于85℃真空炉中充分烘干；

S2，将步骤S1所得碳纳米管和氯铂酸H₂PtCl₆加入到乙二醇和氢氧化钠混合溶液中，充分摇匀；

S3，将步骤S2，所得溶液置于微波加热炉中加热两次，每次加热第一指定时间，期间间隔第二指定时间；

S4，将步骤S3所得溶液利用磁力搅拌器匀速搅拌，离心后用丙酮冲洗，随后放置于85℃的真空炉中充分干燥，即得铂掺杂单壁碳纳米管。

本实施例中，步骤(1)中的单壁碳纳米管纯度大于95％，外径1-2nm，长度5-30μm，硫酸和硝酸体积比为1：3，超声分散对单壁碳纳米管表面进行羟基活化预处理，使其更加有利于负载金属纳米粒子，后用蒸馏水洗涤为中性。

在本实施例中，步骤S2中的混合溶液调节pH值至12，促进氯铂酸的还原。

步骤S3中的微波加热炉功率为700W，工作频率为3.5GHz，步骤S4中的冲洗后溶液为中性。在室温空气的环境下通过微波加热实现氯铂酸的还原，得到颗粒尺寸及形貌大小均一的铂纳米颗粒。该过程采用家用微波炉，不涉及惰性气体的使用。

实施例二

S1，将40mg单壁碳纳米管溶解于体积比为1：3的硫酸及硝酸混合溶液中，并超声分散2小时，离心后用大量蒸馏水洗涤，使得其pH值为7，置于85℃真空炉中干燥10小时；

S2，将步骤S1所获得的预处理后碳纳米管分散于25mL乙二醇溶液中，添加1.0mL，0.05M的H₂PtCl₆，并滴加0.5mL，0.05M的NaOH溶液调节pH值为12；

S3将步骤S2所获得溶液置于微波加热炉中加热两次，每次75秒，两次间隔60秒；

S4，将步骤S3所获得溶液匀速磁力搅拌2小时，转速为100圈/分钟，离心并用丙酮冲洗至pH值为7，随后放置于85℃的真空炉中干燥10小时，即得铂掺杂单壁碳纳米管。

实施例三

S1，将40mg单壁碳纳米管溶解于体积比为1：3的硫酸及硝酸混合溶液中，并超声分散2小时，离心后用大量蒸馏水洗涤，使得其pH值为7，置于85℃真空炉中干燥10小时；

S2，将步骤S1所获得的预处理后碳纳米管分散于25mL乙二醇溶液中，添加1.0mL，0.05M的H₂PtCl₆，并滴加0.5mL，0.05M的NaOH溶液调节pH值为12；

S3，将步骤S2所获得溶液置于微波加热炉中加热两次，每次50秒，两次之间间隔30秒；

S4，将步骤S3所获得溶液匀速磁力搅拌2小时，转速为100圈/分钟，离心并用丙酮冲洗至pH值为7，随后放置于85℃的真空炉中干燥10小时，即得铂掺杂单壁碳纳米管。

实施例四

S1，将0.4g单壁碳纳米管溶解于体积比为1：3的硫酸及硝酸混合溶液中，并超声分散2小时，离心后用大量蒸馏水洗涤，使得其pH值为7，置于85℃真空炉中干燥10小时；

S2，将步骤S1所获得的预处理后碳纳米管分散于250mL乙二醇溶液中，添加10.0mL，0.05M的H₂PtCl₆，并滴加5.0mL，0.05M的NaOH溶液调节pH值为12；

S3，将步骤S2所获得溶液置于微波加热炉中加热两次次，每次75秒，两次间隔60秒；

S4，将步骤S3所获得溶液匀速磁力搅拌2小时，转速为100圈/分钟，离心并用丙酮冲洗至pH值为7，随后放置于85℃的真空炉中干燥10小时，即得铂掺杂单壁碳纳米管。

实施例五

S1，将0.4g单壁碳纳米管溶解于体积比为1：3的硫酸及硝酸混合溶液中，并超声分散2小时，离心后用大量蒸馏水洗涤，使得其pH值为7，置于85℃真空炉中干燥10小时；

S2，将步骤S1所获得的预处理后碳纳米管分散于250mL乙二醇溶液中，添加10.0mL，0.05M的H₂PtCl₆，并滴加5.0mL，0.05M的NaOH溶液调节pH值为12；

S3将步骤S2所获得溶液置于微波加热炉中加热三次，每次50秒，两次之间间隔30秒；

S4将步骤S3所获得溶液匀速磁力搅拌2小时，转速为100圈/分钟，离心并用丙酮冲洗至pH值为7，随后放置于85℃的真空炉中干燥10小时，即得铂掺杂单壁碳纳米管。

本发明方法具有快捷、均匀、操作方便和成本低廉等优点。采用微波对单壁碳纳米管、H₂PtCl₆及乙二醇的混合溶液进行加热，可有效对氯铂酸进行还原，得到尺寸均一的铂纳米颗粒，这是制备铂掺杂碳纳米管负载型传感材料并避免铂纳米颗粒团簇的先决条件。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种制备铂掺杂碳纳米管的方法，其特征在于，该方法包含如下步骤，

将单壁碳纳米管溶于酸溶液后，提取酸溶液中的碳纳米管；

将所述碳纳米管与氯铂酸加入到碱的有机溶液中，并对得到的碳纳米管的碱溶液进行微波加热；

对微波加热后的碳纳米管的碱溶液进行离心处理；

对离心处理后的碳纳米管的碱溶液进行干燥处理，获得铂掺杂单壁碳纳米管。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述酸溶液为硫酸和硝酸的混合溶液，所述将单壁碳纳米管溶于酸溶液后，提取酸溶液中的碳纳米管，包含如下步骤，

将单壁碳纳米管溶于硫酸和硝酸的混合溶液中；

对获得的混合溶液进行超声分散处理；

对经过超声分散处理的混合溶液进行离心处理，获得碳纳米管；

对获得的碳纳米管进行洗涤并烘干。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述碱的有机溶液为乙二醇和氢氧化钠混合溶液。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述对得到的碳纳米管的碱溶液进行微波加热包含，

将碳纳米管的碱溶液置于微波加热炉中按照第一指定时间加热两次；以及所述两次加热之间间隔第二指定时间。

5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述单壁碳纳米管纯度大于95％，外径1-2nm，长度5-30μm，且所述对获得的碳纳米管进行洗涤之后的溶液呈中性。

6.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述将所述碳纳米管与氯铂酸加入到碱的有机溶液中之后，得到的碳纳米管的碱溶液的PH值大于11。

7.如权利要求3所述的方法，其特征在于，对得到的碳纳米管的碱溶液进行微波加热之后，所述方法还包含，

利用搅拌器对微波加热后的碳纳米管的碱溶液进行均匀搅拌。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，对微波加热后的碳纳米管的碱溶液进行离心处理之后，该方法还包含，

对离心处理后的碳纳米管的碱溶液采用有机溶液进行冲洗。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，采用有机溶液进行冲洗后的溶液呈中性。

10.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述对离心处理后的碳纳米管的碱溶液进行干燥处理，以及对获得的碳纳米管进行烘干均置于真空环境下进行。