一种低成本制备多壁碳纳米管的方法
【专利摘要】本发明公开了一种低成本制备多壁碳纳米管的方法，该方法利用工业上纯熟的超交联聚合反应，采用常规的溶液法、溶剂热法、超声辅助法，使用多种单体作为反应物，通过调控单体浓度先制备管状的超交联聚合物，然后以其为前驱体通过煅烧即可得到大比表面积的多壁碳纳米管。本发明无需特殊的反应设备，无需昂贵的催化剂，无需对原料进行特殊的处理，操作简单，反应条件温和，生产成本低廉，无污染、易规模化生产，解决了现有碳纳米管制备方法存在的成本高、工艺复杂、与催化剂分离困难等问题，且所得多壁碳纳米管尺寸均匀、孔径分布均一、纯度高、无催化剂残留。
【专利说明】
一种低成本制备多壁碳纳米管的方法
技术领域
[0001]本发明属于材料技术领域，具体涉及一种低成本制备多壁碳纳米管的方法。
【背景技术】
[0002]碳纳米管具有独特的结构特性、物理特性和化学特性，使得其在纳米电子器件、复合材料、传感器等诸多领域具有巨大的应用前景。例如，其优异的电化学性能使其可应用于场效应管、大规模集成电路等;碳纳米管的高强度性质使其可以作为复合材料的增强材料；另外碳纳米管也可以用于电池电极和半导体器件等领域。因此，如何使用简便和经济的方法制备得到足够量的、高纯度的碳纳米管成了当前研究热点。
[0003]目前，碳纳米管主要有三种制备方法:化学沉积法、电弧放电法、激光烧蚀法。电弧放电法就是在真空反应腔中，利用纯石墨或带有金属催化剂的石墨棒作阳极，石墨块体作阴极，在一定压力的惰性气体或其他气体下，石墨电极放电产生3000°C以上的高温，在阴极部分沉积出碳纳米管，该方法可制备克级别的碳纳米管，是批量生产碳纳米管的方法(Ebbesen,T.W.,Ajayan,P.M.,Large-scale synthesis of carbon nanotubes[J].Nature，1992，358(6383)，220-222.)。激光烧蚀法是将一根过渡金属催化剂的石墨靶放在长形石英管中间，并加热至1200°C，向管道中通入一定量的惰性气体，并将激光聚焦于石墨革巴上，在石墨革E的表面产生气态碳，最后气流将催化剂与碳带到低温区生成碳纳米管(彭忠梅，薛建伟，李晋平，碳纳米管(CNT)及其储氢特性研究进展[J ].山西化工，2000,12(6),16-20.)。化学气相沉积法是在适当的温度下，将以烃类为主的碳源通入放有催化剂的石英管中，碳源在催化剂表面裂解生成团簇，然后这些团簇重组成为碳纳米管。以上三种制备方法普遍存在着原料成本高、制备工艺复杂、设备要求高、过程条件苛刻等问题。
[0004]利用碳化聚合物的方法制备碳材料已经成为目前研究热点。例如，Feng等利用sonogashira偶联聚合的方法合成了特殊形貌的聚合物，然后将其碳化得到碳纳米纤维和碳纳米管的工作引起了巨大的关注(Xinliang Feng , YanyuLiang ,Linjie Zhi ,ArneThomas ,Dongqing Wu,Ingo Lieberwirth,Ute Kolb,and Klaus Miillen, Synthesis ofMicroporous Carbon Nanofibers and Nanotubes from Conjugated Polymer Networkand Evaluat1n in Electrochemical Capacitor[J].Advanced Funct1nal Materials,2009，19,2125-2129.)，但由于其昂贵的催化剂与不易得的单体原料，使得该方法很难产业化。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的技术问题在于克服现有碳纳米管制备方法存在的成本高、工艺复杂、与催化剂分离困难等问题，提供一种操作简单、低成本制备多壁碳纳米管的方法。
[0006]解决上述技术问题所采用的技术方案由下述步骤组成:
[0007]1、将单体与交联剂按摩尔比为1:2?6加入二氯甲烷中，并加入FeCl3作为催化剂，在70?90°C下搅拌12?24小时或者室温超声反应I?2小时或者70?90 °C溶剂热反应12?24小时，控制反应体系中单体的初始浓度为0.02?0.lmol/L，所述的单体为芳环化合物、芳杂环化合物、稠环化合物中的任意一种，反应完后用甲醇和蒸馏水清洗反应产物，得到聚合物前驱体。
[0008]2、将聚合物前驱体在氮气气氛下500?800°C煅烧2?4小时，得到多壁碳纳米管。
[0009]上述的单体与FeCl3的摩尔比为1:3?6。
[0010]上述的交联剂为二甲氧基甲烷，所述的单体为苯、联苯、萘、蒽、菲、芘、I，2_苯并菲中的任意一种。
[0011 ]本发明优选控制反应体系中单体的初始浓度为0.05?0.lmol/L。
[0012]与现有的技术相比，本发明的有益效果如下:
[0013]1、本发明利用工业上纯熟的超交联聚合反应为多壁碳纳米管提供了前驱体，解决了现有碳纳米管制备方法存在的成本高、工艺复杂、与催化剂分离困难等问题，所得多壁碳纳米管尺寸均匀、孔径分布均一、纯度高、无催化剂残留。
[0014]2、本发明采用常规的溶液法、溶剂热法、超声辅助法，使用多种单体作为反应物，通过调控反应条件制备管状的超交联聚合物，然后以其为前驱体通过煅烧即可得到大比表面积的多壁碳纳米管。
[0015]3、本发明无需特殊的反应设备，无需昂贵的催化剂，无需对原料进行特殊的处理，反应简单，反应条件温和，具有生产成本低廉、工艺简单、无污染、易规模化生产等优点。
【附图说明】
[0016]图1是实施例1得到的多壁碳纳米管的扫描电镜图。
[0017]图2是实施例1得到的多壁碳纳米管透射电镜图。
[0018]图3是对比例I得到的产物的扫描电镜图。
[0019 ]图4是对比例2得到的产物的扫描电镜图。
[0020]图5是实施例2得到的多壁碳纳米管的扫描电镜图。
[0021]图6是实施例2得到的多壁碳纳米管透射电镜图。
[0022]图7是实施例3得到的多壁碳纳米管的扫描电镜图。
[0023 ]图8是实施例3得到的多壁碳纳米管的扫描电镜图。
[0024]图9是实施例4得到的多壁碳纳米管的扫描电镜图。
[0025]图10是实施例5得到的多壁碳纳米管的扫描电镜图。
[0026]图11是实施例6得到的多壁碳纳米管的扫描电镜图。
[0027]图12是实施例7得到的多壁碳纳米管的扫描电镜图。
[0028]图13是实施例8得到的多壁碳纳米管的扫描电镜图。
[0029]图14是实施例9得到的多壁碳纳米管的扫描电镜图。
[0030]图15是实施例10得到的多壁碳纳米管的扫描电镜图。
[0031]图16是实施例11得到的多壁碳纳米管的扫描电镜图。
[0032]图17是实施例12得到的多壁碳纳米管的扫描电镜图。
[0033 ]图18是实施例13得到的多壁碳纳米管的扫描电镜图。
[0034]图19是实施例14得到的多壁碳纳米管的扫描电镜图。
[0035]图20是实施例15得到的多壁碳纳米管的扫描电镜图。
【具体实施方式】
[0036]下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明，但本发明的保护范围不仅限于这些实施例。
[0037]实施例1
[0038]1、将0.4868g(3mmol )FeCl3(商业购买)、0.089mL( Immol)苯和0.266mL(3mmol)二甲氧基甲烷和20mL二氯乙烷加入到两口烧瓶中，混合均匀，所得混合物中苯的浓度为0.05mol/L，将混合物加热至80°C，恒温反应24小时后，停止加热，离心分离，所得沉淀用甲醇和去离子水清洗3?5次后，在70°C下真空干燥12小时，得到聚合物前驱体，其产率约为95%。
[0039]2、将聚合物前驱体放入管式炉中，在氮气气氛中以2°C/分钟的升温速率升温至7000C，恒温煅烧2小时，随炉自然降至室温，得到多壁碳纳米管，其产率约为62%。
[0040]采用JSM6700型场发射扫描电子显微镜(日本电子公司生产)、JEM2010-F型场发射透射电子显微镜对所得多壁碳纳米管进行表征，结果见图1?2。由图1和2可见，所得多壁碳纳米管形貌规整，尺寸均匀、孔径分布均一，管道尺寸较长，碳纳米管的外径约为45?60nm，并且所得多壁碳纳米管纯度高达99%以上，比表面积高达854m2/g。
[0041]对比例I
[0042]1、将9.75g(0.06mol )FeCl3(商业购买)、I.77mL(0.02mol)苯和5.32mL(0.06mol)二甲氧基甲烷和20mL二氯乙烷加入到两口烧瓶中，混合均匀，所得混合物中苯的浓度为lmol/L，将混合物加热至80°C，恒温反应24小时后，停止加热，离心分离，所得沉淀用甲醇和去离子水清洗3?5次后，在70°C下真空干燥12小时，得到聚合物前驱体。
[0043]2、将聚合物前驱体放入管式炉中，在氮气气氛中以2°C/分钟的升温速率升温至700°C，恒温煅烧2小时，随炉自然降至室温。所得产物采用JSM6700型场发射扫描电子显微镜(日本电子公司生产)进行表征，结果见图3。由图可见，所得产物呈现球形块体形貌，无法得到多壁碳纳米管。
[0044]对比例2
[0045]在实施例1中，所用的20mL二氯乙烷用10mL 二氯乙烷替换，所得混合物中苯的浓度为0.0lmol/L，其他步骤与实施例1相同，由图4可见，所得产物为片状无规则碳，无法得到多壁碳纳米管。
[0046]实施例2
[0047]1、将0.4868g(3mmol )FeCl3(商业购买)、0.089mL( Immol)苯和0.266mL(3mmol)二甲氧基甲烷和20mL二氯乙烷加入到两口烧瓶中，混合均匀，所得混合物中苯的浓度为0.05mol/L，然后将所得混合物转移至高压反应釜中，80 °C溶剂热反应24小时，停止加热，离心分离，所得沉淀用甲醇和去离子水清洗3?5次后，在70°C下真空干燥12小时，得到聚合物前驱体，其产率约为90 %。
[0048]2、将聚合物前驱体放入管式炉中，在氮气气氛中以2°C/分钟的升温速率升温至700°C，恒温煅烧8小时，随炉自然降至室温，得到多壁碳纳米管，其产率约为50%。由图5?6可见，所得多壁碳纳米管形貌规整，尺寸均匀、孔径分布均一，管道尺寸较长，碳纳米管的外径约为45?60nm，并且所得多壁碳纳米管纯度高达99%以上，比表面积高达878m2/g。
[0049]实施例3
[0050]1、将0.4868g(3mmol )FeCl3(商业购买)、0.089mL( Immol)苯和0.266mL(3mmol)二甲氧基甲烷和20mL二氯乙烷加入到两口烧瓶中，混合均匀，所得混合物中苯的浓度为0.05mol/L，室温超声反应I小时，离心分离，所得沉淀用甲醇和去离子水清洗3?5次后，在70°C下真空干燥12小时，得到聚合物前驱体，其产率约为92%。
[0051]2、将聚合物前驱体放入管式炉中，在氮气气氛中以2°C/分钟的升温速率升温至7000C，恒温煅烧8小时，随炉自然降至室温，得到多壁碳纳米管，其产率约为55 %。由图7?8可见，所得多壁碳纳米管形貌规整，尺寸均匀、孔径分布均一，管道尺寸较长，碳纳米管的外径约为30?50nm，并且所得多壁碳纳米管纯度高达99%以上，比表面积高达832m2/g。
[0052]实施例4
[0053]1、将0.9736g(6mmol )FeCl3(商业购买)、0.178mL(2mmol)苯和0.532mL(6mmol)二甲氧基甲烷和20mL二氯乙烷加入到两口烧瓶中，混合均匀，所得混合物中苯的浓度为0.lmol/L，将混合物加热至80°C，恒温反应24小时后，停止加热，离心分离，所得沉淀用甲醇和去离子水清洗3?5次后，在70°C下真空干燥12小时，得到聚合物前驱体，其产率约为94%。
[0054]2、将聚合物前驱体放入管式炉中，在氮气气氛中以2°C/分钟的升温速率升温至700°C，恒温煅烧2小时，随炉自然降至室温，得到多壁碳纳米管，其产率约为62%。由图9可见，所得多壁碳纳米管形貌规整，尺寸均匀、管道尺寸较长，碳纳米管的外径约为40?50nm。
[0055]实施例5
[0056]1、将0.4868g(3mmol )FeCl3(商业购买)、0.089mL( Immol)苯和0.266mL(3mmol)二甲氧基甲烷和50mL二氯乙烷加入到两口烧瓶中，混合均匀，所得混合物中苯的浓度为0.02mol/L，将混合物加热至80°C，恒温反应24小时后，停止加热，离心分离，所得沉淀用甲醇和去离子水清洗3?5次后，在70°C下真空干燥12小时，得到聚合物前驱体，其产率约为96%。
[0057]2、将聚合物前驱体放入管式炉中，在氮气气氛中以2°C/分钟的升温速率升温至700°C，恒温煅烧2小时，随炉自然降至室温，得到多壁碳纳米管，其产率约为60%。由图10可见，所得多壁碳纳米管形貌规整，尺寸均匀、管道尺寸较长，碳纳米管的外径约为40?50nm。
[0058]实施例6
[0059]在实施例1中，所用的苯用等摩尔的联苯替换，其他步骤与实施例1相同，得到多壁碳纳米管，其产率约为49 %。由图11可见，所得多壁碳纳米管形貌规整，尺寸均匀、孔管道尺寸较长，碳纳米管的外径约为40?55nm，并且所得多壁碳纳米管纯度高达99%以上。
[0060]实施例7
[0061]在实施例1中，所用的苯用等摩尔的萘苯替换，其他步骤与实施例1相同，得到多壁碳纳米管，其产率约为54%。由图12可见，所得多壁碳纳米管形貌规整，尺寸均匀、管道尺寸较长，碳纳米管的外径约为45?60nm，并且所得多壁碳纳米管纯度高达99%以上。
[0062]实施例8
[0063]在实施例1中，所用的苯用等摩尔的蒽替换，其他步骤与实施例1相同，得到多壁碳纳米管，其产率约为42%。由图13可见，所得多壁碳纳米管形貌规整，尺寸均匀、管道尺寸较长，碳纳米管的外径约为60?90nm，并且所得多壁碳纳米管纯度高达99%以上。
[0064]实施例9
[0065]在实施例1中，所用的苯用等摩尔的菲替换，其他步骤与实施例1相同，得到多壁碳纳米管，其产率约为52%。由图14可见，所得多壁碳纳米管形貌规整，尺寸均匀、管道尺寸较长，碳纳米管的外径约为60?lOOnm，并且所得多壁碳纳米管纯度高达99%以上。
[0066]实施例10
[0067]在实施例1中，所用的苯用等摩尔的芘替换，其他步骤与实施例1相同，得到多壁碳纳米管，其产率约为55%。由图15可见，所得多壁碳纳米管形貌规整，尺寸均匀、管道尺寸较长，碳纳米管的外径约为80?120nm，并且所得多壁碳纳米管纯度高达99%以上。
[0068]实施例11
[0069]在实施例1中，所用的苯用等摩尔的I，2_苯并菲替换，其他步骤与实施例1相同，得到多壁碳纳米管，其产率约为60%。由图16可见，所得多壁碳纳米管形貌规整，尺寸均匀、管道尺寸较长，碳纳米管的外径约为70?80nm，并且所得多壁碳纳米管纯度高达99%以上。
[0070]实施例12
[0071 ] 1、将0.9736g(6mmol )FeCl3(商业购买)、308mg(2mmol)联苯和0.532mL(6mmol)二甲氧基甲烷和20mL二氯乙烷加入到两口烧瓶中，混合均匀，所得混合物中苯的浓度为
0.lmol/L，然后将所得混合物转移至高压反应釜中，80°C溶剂热反应24小时，停止加热，离心分离，所得沉淀用甲醇和去离子水清洗3?5次后，在70°C下真空干燥12小时，得到聚合物前驱体，其产率约为90 %。
[0072]2、将聚合物前驱体放入管式炉中，在氮气气氛中以2°C/分钟的升温速率升温至600°C，恒温煅烧2小时，随炉自然降至室温，得到多壁碳纳米管，其产率约为69%。由图17可见，所得多壁碳纳米管形貌规整，尺寸均匀、管道尺寸较长，碳纳米管的外径约为45?65nm。
[0073]实施例13
[0074]1、将0.4868g(3mmol )FeCl3(商业购买)、128mg( Immol)蔡和0.266mL(3mmol)二甲氧基甲烷和50mL二氯乙烷加入到两口烧瓶中，混合均匀，所得混合物中苯的浓度为0.02mol/L，然后将所得混合物转移至高压反应釜中，80 °C溶剂热反应24小时，停止加热，离心分离，所得沉淀用甲醇和去离子水清洗3?5次后，在70°C下真空干燥12小时，得到聚合物前驱体，其产率约为94 %。
[0075]2、将聚合物前驱体放入管式炉中，在氮气气氛中以2°C/分钟的升温速率升温至600°C，恒温煅烧2小时，随炉自然降至室温，得到多壁碳纳米管，其产率约为60%。由图18可见，所得多壁碳纳米管形貌规整，尺寸均匀、管道尺寸较长，碳纳米管的外径约为45?60nm。
[0076]实施例14
[0077]1、将0.9736g(6mmol )FeCl3(商业购买)、308mg(2mmol)联苯和0.532mL(6mmol)二甲氧基甲烷和20mL二氯乙烷加入到两口烧瓶中，混合均匀，所得混合物中苯的浓度为
0.lmol/L，室温超声反应I小时，离心分离，所得沉淀用甲醇和去离子水清洗3?5次后，在70°C下真空干燥12小时，得到聚合物前驱体，其产率约为96%。
[0078]2、将聚合物前驱体放入管式炉中，在氮气气氛中以2°C/分钟的升温速率升温至600°C，恒温煅烧2小时，随炉自然降至室温，得到多壁碳纳米管，其产率约为58%。由图19可见，所得多壁碳纳米管形貌规整，尺寸均匀、管道尺寸较长，碳纳米管的外径约为40?50nm。
[0079]实施例15
[0080]1、将0.4868g(3mmol )FeCl3(商业购买)、128mg( lmmol)蔡和0.266mL(3mmol)二甲氧基甲烷和50mL二氯乙烷加入到两口烧瓶中，混合均匀，所得混合物中苯的浓度为
0.02mol/L，室温超声反应I小时，离心分离，所得沉淀用甲醇和去离子水清洗3?5次后，在70°C下真空干燥12小时，得到聚合物前驱体，其产率约为96%。
[0081]2、将聚合物前驱体放入管式炉中，在氮气气氛中以2°C/分钟的升温速率升温至600°C，恒温煅烧2小时，随炉自然降至室温，得到多壁碳纳米管，其产率约为54%。由图20可见，所得多壁碳纳米管形貌规整，尺寸均匀、管道尺寸较长，碳纳米管的外径约为40?60nm。
【主权项】
1.一种低成本制备多壁碳纳米管的方法，其特征在于它由下述步骤组成: (1)将单体与交联剂按摩尔比为1:2?6加入二氯甲烷中，并加入FeCl3作为催化剂，在70?90 °C下搅拌12?24小时或者室温超声反应I?2小时或者70?90°C溶剂热反应12?24小时，控制反应体系中单体的初始浓度为0.02?0.lmol/L，所述的单体为芳环化合物、芳杂环化合物、稠环化合物中的任意一种，反应完后用甲醇和蒸馏水清洗反应产物，得到聚合物前驱体； (2)将聚合物前驱体在氮气气氛下500?800°C煅烧2?4小时，得到多壁碳纳米管。2.根据权利要求1所述的低成本制备多壁碳纳米管的方法，其特征在于:所述的单体为苯、联苯、萘、蒽、菲、芘、I，2_苯并菲中的任意一种。3.根据权利要求1所述的低成本制备多壁碳纳米管的方法，其特征在于:所述的交联剂为二甲氧基甲烷。4.根据权利要求1?3任意一项所述的低成本制备多壁碳纳米管的方法，其特征在于:所述的单体与FeCl3的摩尔比为1:3?6。5.根据权利要求1?3任意一项所述的低成本制备多壁碳纳米管的方法，其特征在于:控制反应体系中单体的初始浓度为0.05?0.lmol/L。
【文档编号】C01B31/02GK105836727SQ201610161021
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年3月21日
【发明人】蒋加兴, 王笑颜, 张崇, 赵洋, 王雪, 贺倩
【申请人】陕西师范大学