一种多孔碳纳米管的制备方法与流程

本发明涉及一种多孔碳纳米管的制备方法，属有机碳材料制备及应用的技术领域。

背景技术：

碳纳米管具有优异的力学、电学和化学性能，在储能、锂电池等领域展现出广阔的应用前景。

传统碳纳米管容易团聚，分散性差，比表面积小，限制了其应用范围；碳纳米管具有多孔特性，可保持高的化学稳定性、导电性，具有比表面积大、孔道结构丰富的特点，但制备难度大，处于科学研究中。

技术实现要素：

发明目的

本发明的目的是针对背景技术的状况，以碳纳米管做原料，经配制溶液、超声分散、酸氧化、冷冻干燥、真空烧结、酸浸泡、真空抽滤、真空干燥，制成多孔碳纳米管，以提高碳纳米管的比表面积，扩大碳纳米管的应用范围。

技术方案

本发明使用的化学物质材料为：碳纳米管、硫酸、硝酸、高锰酸钾、盐酸、无水乙醇、去离子水、氩气，其组合准备用量如下：以克、毫升、厘米³为计量单位

制备方法如下：

(1)精选化学物质材料

对制备使用的化学物质材料要进行精选，并进行质量纯度、浓度、含量控制：

碳纳米管：固态固体含碳量98.6％

硫酸：液态液体浓度36％

硝酸：液态液体浓度36％

盐酸：液态液体浓度36％

高锰酸钾：固态固体纯度98.6％

无水乙醇：液态液体纯度99.7％

去离子水：液态液体纯度99.9％

氩气：气态气体纯度99.9％

(2)氧化处理碳纳米管

氧化处理碳纳米管是在三口烧瓶上进行的，是在氩气保护、水循环冷凝状态下完成的；

①将碳纳米管0.5g±0.0001g加入三口烧瓶中；

②配制混酸，将硫酸90mL±1mL、硝酸30mL±1mL加入烧杯中，搅拌5min，配制成混酸，然后加入三口烧瓶中；

③将三口烧瓶置于超声波分散仪上，进行超声分散，超声波频率40kHz，超声波分散时间20min；

④超声分散后，将三口烧瓶置于水浴缸上；

⑤开启水循环冷凝管，进行水循环冷凝；

⑥开启氩气瓶，向三口烧瓶输入氩气，氩气输入速度30cm³/min；

⑦开启电热搅拌器，加热温度80℃±2℃，并开始搅拌；

⑧搅拌、氧化反应时间30min±2min，成：氧化物溶液；

⑨碳纳米管在氧化反应过程中将发生化学反应，反应式如下：

式中：

C-OH：含羟基的氧化碳纳米管

SO₂：二氧化硫

NO₂：二氧化氮

CO₂：二氧化碳

氧化反应后，关闭电热搅拌器，三口烧瓶内的氧化物溶液随水浴缸冷却至25℃；

(3)抽滤

将氧化物溶液置于抽滤瓶的布氏漏斗中，用三层中速定性滤纸进行抽滤，留存滤饼，弃去滤液；

(4)去离子水洗涤、抽滤

将产物滤饼置于烧杯中，加入去离子水100mL，搅拌洗涤5min；

然后将洗涤液置于抽滤瓶的布氏漏斗中，用三层中速定性滤纸进行抽滤，留存滤饼，弃去洗涤液；

去离子水洗涤、抽滤重复进行五次；

(5)真空干燥

将产物滤饼置于石英容器中，然后置于真空干燥箱中干燥，干燥温度40℃，真空度2Pa，干燥时间480min，干燥后得：含羟基的氧化碳纳米管；

(6)合成氧化锰/碳纳米管复合材料

①称取高锰酸钾0.2g±0.0001g，量取去离子水50mL±0.0001mL，加入烧杯中，成混合溶液；

②将盛有混合溶液的烧杯置于超声波分散仪中，进行超声分散，超声波频率40kHz，超声分散时间10min；

③将含羟基的氧化碳纳米管0.1g±0.0001g，加入到烧杯的混合溶液中，继续进行超声分散，超声波频率40kHz，超声分散时间30min，成含羟基的氧化碳纳米管混合液；

④将含羟基的氧化碳纳米管混合液加入另一三口烧瓶中，然后置于水浴缸上；

⑤开启水循环冷凝管，进行水循环冷凝；

⑥开启氩气瓶，向三口烧瓶输入氩气，氩气输入速度30cm³/min；

⑦开启电热搅拌器，温度为25℃，并开始搅拌；

搅拌时间720min，成氧化锰/碳纳米管混合液；反应式如下：

式中：

C-MnO₂：氧化锰/碳纳米管复合材料

K₂MnO₄：锰酸钾

停止输氩气，停止搅拌，成氧化锰/碳纳米管复合液；

(7)真空冷冻干燥

①将氧化锰/碳纳米管复合液置于冻干瓶中，然后置于冷冻箱中，进行冷冻，冷冻温度-80℃，冷冻时间30min；

②将冻干瓶置于冷冻干燥器上，进行真空冷冻干燥；

真空度0.68Pa，冷冻干燥温度-88℃，冷冻干燥时间4320min；

冷冻干燥后，成氧化锰/碳纳米管粉末；

(8)真空烧结

氧化锰/碳纳米管的烧结是在真空烧结炉内进行的，是在加热、氩气保护下完成的；

①打开真空烧结炉炉腔，用氩气驱除炉内有害气体；

②将氧化锰/碳纳米管粉末置于石英舟中，将石英舟置于真空烧结炉内的工作台上，并密闭；

③开启真空泵，抽取炉内空气，使炉内压强达2Pa；

④开启氩气瓶，向炉内通入氩气，氩气输入速度80cm³/min，使炉内压强恒定在1个大气压；

⑤开启加热器，加热温度650℃±2℃，并进行烧结；

⑥烧结后停止加热，停止输氩气，使氧化锰/碳纳米管随炉冷却至25℃；

(9)制备多孔碳纳米管

①称取氧化锰/碳纳米管0.1g±0.0001g，量取盐酸50mL±1mL，加入三口烧瓶中，成混合液；

②将三口烧瓶置于水浴缸上，水浴缸置于电热搅拌器上；

③开启水循环冷凝管，进行水循环冷凝；

④开启氩气瓶，向三口烧瓶输入氩气，氩气输入速度30cm³/min；

⑤开启电热搅拌器，在25℃下，搅拌48h，成混合液；

⑥将混合液置于抽滤瓶的布氏漏斗中，用三层中速定性滤纸进行抽滤，留存滤饼，弃去废液；

⑦去离子水洗涤、抽滤，将滤饼置于烧杯中，加入去离子水100mL，搅拌洗涤5min，然后用三层中速定性滤纸进行抽滤，去离子水洗涤、抽滤重复进行五次；

⑧无水乙醇洗涤、抽滤，将滤饼加入另一烧杯中，加入无水乙醇100mL，搅拌洗涤5min，然后用三层中速定性滤纸进行抽滤，洗涤、抽滤重新进行五次；

⑨真空干燥，将氧化锰/碳纳米管置于石英容器中，然后置于真空干燥箱中干燥，干燥温度60℃，真空度2Pa，干燥时间480min，干燥后得多孔碳纳米管；

(10)检测、分析、表征

对制备的多孔碳纳米管的形貌、化学物理性能进行检测、分析、表征；

用高分辨透射电子显微镜进行形貌结构分析；

用X射线衍射仪进行成分分析；

结论：多孔碳纳米管为黑色粉体，粉体颗粒直径≤60nm，孔隙分布在碳纳米管表面，孔隙直径≤10nm，产物纯度达99.5％，碳纳米管的比表面积提高520％；

(11)产物储存

将制备的多孔碳纳米管储存于棕色透明的玻璃容器中，密闭避光保存，要防潮、防晒、防酸碱盐侵蚀，储存温度20℃，相对湿度≤10％。

有益效果

本发明与背景技术相比具有明显的先进性，是针对碳纳米管比表面积小的弊端，以碳纳米管为原料，经配制溶液、超声分散处理、酸氧化、冷冻干燥、真空烧结、酸浸泡、洗涤抽滤、真空干燥，制成多孔碳纳米管，此制备方法工艺先进，数据精确翔实，产物为黑色粉体，粉体颗粒直径≤60nm，孔隙分布在碳纳米管表面，孔隙直径≤10nm，产物纯度达99.5％，碳纳米管的比表面积提高520％，是先进的快速制备多孔碳纳米管的方法。

附图说明

图1、多孔碳纳米管制备状态图

图2、多孔碳纳米管形貌图

图3、多孔碳纳米管X射线衍射强度图谱

图中所示，附图标记清单如下：

1、电热搅拌器，2、水浴缸，3、三口烧瓶，4、显示屏，5、指示灯，6、电源开关，7、氩气瓶，8、氩气阀，9、氩气管，10、搅拌器，11、水循环冷凝管，12、出气孔，13、进水口，14、出水口，15、氩气，16、水浴水，17、多孔碳纳米管，18、混合液，19、搅拌器控制器。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步说明：

图1所示，为多孔碳纳米管制备状态图，各部位置、连接关系要正确，按量配比，按序操作。

多孔碳纳米管的制备是在三口烧瓶中进行的，是在水浴、搅拌、水循环冷凝、氩气保护下完成的；其制备状态是：三口烧瓶3置于水浴缸2上，水浴缸2置于电热搅拌器1上，电热搅拌器1上设有显示屏4、指示灯5、电源开关6、搅拌器控制器19；水浴缸2内为水浴水16；三口烧瓶3上部设置氩气管9、搅拌器10、水循环冷凝管11；氩气管9联接氩气阀8、氩气瓶7；水循环冷凝管11联接进水口13、出水口14、出气孔12；三口烧瓶3内部为碳纳米管17、混合液18、氩气15；水浴缸2内的水浴水16要淹没三口烧瓶3体积的4/5。

制备使用的化学物质的量值是按预先设置的范围确定的，以克、毫升、厘米³为计量单位。

图2所示，为多孔碳纳米管形貌图，图中可知：碳纳米管表面不规则分布着孔结构，孔径≤10nm。

图3所示，为多孔碳纳米管X射线衍射强度图谱，图中所示：24.5°处为碳石墨结构的(002)衍射峰，43.4°处为碳石墨结构的(100)衍射峰。