CN111533109A - 一种单壁碳纳米管的浮动催化制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种单壁碳纳米管的浮动催化制备方法，属于碳纳米材料制备技术领域。步骤如下：首先配制前驱体混合溶液、茂催化剂前驱体和噻吩的混合溶液，超声处理15 min，其中前驱体混合溶液、茂催化剂前驱体和噻吩的质量比为(96.5‑99.1):(0.4‑2):(0.5‑1.5)；然后在2.5 SLM氢气、25 sccm二氧化碳载气带动下，将超声处理后的混合溶液注入1000‑1500℃的反应装置中，即可进行单壁碳纳米管的收集，如果超声处理后的混合溶液持续添加，可以持续收集单壁碳纳米管。本发明所述方法可以实现批量化制备单壁碳纳米管，同时提高制备的单壁碳纳米管的质量。

Description

一种单壁碳纳米管的浮动催化制备方法
技术领域
本发明涉及碳纳米材料制备技术领域，具体涉及一种单壁碳纳米管的浮动催化制备方法。
背景技术
碳管根据卷曲的石墨层层数的不同，可以将其简单的称呼为n壁碳管。根据称呼的不同将其可以简单地分为单壁碳纳米管、双壁碳纳米管和多壁碳纳米管。而单壁碳纳米管由于独特的一维管式结构可以在力学、电学、热学、光学等不同方面均表现出优异的性能，它既拥有重要的基础研究价值，同时它又具有非常令人期待的应用前景。因此实现高纯度、高质量的单壁碳纳米管的制备具有极其重要的意义。
先进的制备方法是碳纳米管实现批量化生产并因此实现产业化的关键基础。迄今为止，制备碳纳米管的方法主要存在三种方式：电弧法、激光烧蚀法和化学气相沉积法。而化学气相沉积法因对单壁碳纳米管的结构和形貌调控、宏观聚集体和批量生产等方面具有独特的优势，已成为目前制备单壁碳纳米管的主流方法。
但目前生长效率和碳源转化率都很低（Zhang, Qiang, et al. "Recentdevelopments in single-walled carbon nanotube thin films fabricated by dryfloating catalyst chemical vapor deposition." Single-Walled Carbon Nanotubes.Springer, Cham, 2019. 99-128.），其生长效率和碳源转化率都很低，碳源转化率一般低于5%，如何实现高质高量的生长是关键问题。
发明内容
解决的技术问题：针对上述技术问题，本发明提供一种单壁碳纳米管的浮动催化制备方法，可以实现批量化制备单壁碳纳米管，同时提高制备的单壁碳纳米管的质量。
技术方案：一种单壁碳纳米管的浮动催化制备方法，所述制备方法步骤如下：
步骤一.首先配制前驱体混合溶液、茂催化剂前驱体和噻吩的混合溶液，超声处理15min，其中前驱体混合溶液、茂催化剂前驱体和噻吩的质量比为(96.5-99.1):(0.4-2):(0.5-1.5)；
步骤二.然后在2.5 SLM氢气、25 sccm二氧化碳载气带动下，将超声处理后的混合溶液注入1000-1500℃的反应装置中，即可进行单壁碳纳米管的收集，如果超声处理后的混合溶液持续添加，可以持续收集单壁碳纳米管。
作为优选，所述步骤一中前驱体混合溶液为液态乙醇、液态丙酮和液态甲苯中的至少一种。
作为优选，所述步骤一中茂催化剂前驱体为二茂铁或二茂镍。
作为优选，所述步骤一中前驱体混合溶液、茂催化剂前驱体和噻吩的质量比为98.5:1:0.5。
作为优选，所述步骤二中将超声处理后的混合溶液注入1200℃的反应装置中。
有益效果：1.本发明通过使用浮动催化化学气相沉积法，以氢气为载气，以乙醇、丙酮、甲苯等一种或混合物为碳源，使用茂金属和噻吩分别作为催化剂和生长促进剂的前驱体，配置成前驱体混合溶液，同时通入恒量的二氧化碳，进行单壁碳纳米管的制备，反应在持续添加前驱体的条件下可持续进行，即可批量化制备单壁碳纳米管。
2.本发明所述方法在浮动催化化学气相沉积过程中引入适量的二氧化碳来活化催化剂颗粒，从而延长催化剂的生长寿命，同时相比于水蒸气辅助单壁碳纳米管的制备而言，二氧化碳的最佳浓度比水蒸气要高的多，因此二氧化碳可以更均匀的辅助制备单壁碳纳米管，提高碳源转化率，提高制备的单壁碳纳米管的质量。
附图说明
图1 为本发明制备的单壁碳纳米管光学表征图；
图2为本发明制备的单壁碳纳米管TG图。
图3为本发明制备的单壁碳纳米管拉曼图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步描述。
实施例1
本实施例中所述前驱体混合溶液为体积比为1:1的液态乙醇和液态丙酮，茂催化剂前驱体为二茂镍。
一种单壁碳纳米管的浮动催化制备方法，所述制备方法步骤如下：
步骤一.首先配制前驱体混合溶液、茂催化剂前驱体和噻吩的混合溶液，超声处理15min，其中前驱体混合溶液、茂催化剂前驱体和噻吩的质量比为96.5: 2: 1.5；
步骤二.然后在2.5 SLM氢气、25 sccm二氧化碳载气带动下，将超声处理后的混合溶液注入1000℃的反应装置中，即可进行单壁碳纳米管的收集，如果超声处理后的混合溶液持续添加，可以持续收集单壁碳纳米管。
实施例2
本实施例中所述前驱体混合溶液为体积比为1:1的液态乙醇和液态甲苯，茂催化剂前驱体为二茂镍。
一种单壁碳纳米管的浮动催化制备方法，所述制备方法步骤如下：
步骤一.首先配制前驱体混合溶液、茂催化剂前驱体和噻吩的混合溶液，超声处理15min，其中前驱体混合溶液、茂催化剂前驱体和噻吩的质量比为99.1: 0.4: 0.5；
步骤二.然后在2.5 SLM氢气、25 sccm二氧化碳载气带动下，将超声处理后的混合溶液注入1500℃的反应装置中，即可进行单壁碳纳米管的收集，如果超声处理后的混合溶液持续添加，可以持续收集单壁碳纳米管。
实施例3
本实施例中所述前驱体混合溶液为液态乙醇，茂催化剂前驱体为二茂铁。
一种单壁碳纳米管的浮动催化制备方法，所述制备方法步骤如下：
步骤一.首先配制前驱体混合溶液、茂催化剂前驱体和噻吩的混合溶液，超声处理15min，其中前驱体混合溶液、茂催化剂前驱体和噻吩的质量比为98.5:1:0.5；
步骤二.然后在2.5 SLM氢气、25 sccm二氧化碳载气带动下，将超声处理后的混合溶液注入1200℃的反应装置中，即可进行单壁碳纳米管的收集，如果超声处理后的混合溶液持续添加，可以持续收集单壁碳纳米管，其产能0.25克每小时，制备的单壁碳纳米管光学表征图（通入二氧化碳辅助所得产物粉碎后的光学图）、TG图和拉曼图分别参见图1-3，从图中可以看出制备的单壁碳纳米管样品结构完整、缺陷少，结晶度高。
对比例1
同实施例3，区别在于，不添加二氧化碳。具体步骤如下：
步骤一.首先配制前驱体混合溶液、茂催化剂前驱体和噻吩的混合溶液，超声处理15min，其中前驱体混合溶液、茂催化剂前驱体和噻吩的质量比为98.5:1:0.5；
步骤二.然后在2.5 SLM氢气载气带动下，将超声处理后的混合溶液注入1200℃的反应装置中，即可进行单壁碳纳米管的收集，如果超声处理后的混合溶液持续添加，可以持续收集单壁碳纳米管，其产能0.1克每小时。

Claims (5)

1.一种单壁碳纳米管的浮动催化制备方法，其特征在于，所述制备方法步骤如下：
步骤一.首先配制前驱体混合溶液、茂催化剂前驱体和噻吩的混合溶液，超声处理15min，其中前驱体混合溶液、茂催化剂前驱体和噻吩的质量比为(96.5-99.1):(0.4-2):(0.5-1.5)；
步骤二.然后在2.5 SLM氢气、25 sccm二氧化碳载气带动下，将超声处理后的混合溶液注入1000-1500℃的反应装置中，即可进行单壁碳纳米管的收集，如果超声处理后的混合溶液持续添加，可以持续收集单壁碳纳米管。
2.根据权利要求1所述的一种单壁碳纳米管的浮动催化制备方法，其特征在于，所述步骤一中前驱体混合溶液为液态乙醇、液态丙酮和液态甲苯中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的一种单壁碳纳米管的浮动催化制备方法，其特征在于，所述步骤一中茂催化剂前驱体为二茂铁或二茂镍。
4.根据权利要求1所述的一种单壁碳纳米管的浮动催化制备方法，其特征在于，所述步骤一中前驱体混合溶液、茂催化剂前驱体和噻吩的质量比为98.5:1:0.5。
5.根据权利要求1所述的一种单壁碳纳米管的浮动催化制备方法，其特征在于，所述步骤二中将超声处理后的混合溶液注入1200℃的反应装置中。
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