一种固相催化制备螺旋状碳纳米管的方法与流程

本发明属于纳米技术领域，尤其涉及一种固相催化制备螺旋状碳纳米管的方法。

背景技术：

碳纳米管的制备及其运用是当前纳米技术和材料科学研究的热点。碳纳米管具有很好的电化学性能，优异的力学性能和良好的热学性能。这些独有的杰出性能使得碳纳米管被广泛运用在众多前沿科技领域，例如，高性能导电复合材料，超级电容和电极材料，智能机器人和生物医学等。

早在1991年日本的科学家iijima就在意外中发现了利用石墨电弧设备来制备碳纳米管，并用高分辨透射电镜观察到碳纳米管的清晰结构。随后，碳纳米管的制备方法被各国科研人员进一步的研究发明，一系列形态各异并具有不同的物理和化学性能的碳纳米管得以研发。1994年，zhang等首次用透射电子显微镜发现了具有整齐规则螺旋形状的碳纳米管。螺旋状碳纳米管在具备普通碳纳米管众多优秀性能的同时也具有其特殊螺旋状结构所带来的特殊优势，例如，良好的能量吸收能力和与其他材料合成具有更强性能的复合材料。

到目前为止，制备螺旋状碳纳米管的方法有石墨电弧法，激光蒸发法和化学气相沉积(cvd)，然而这3大类制备方法虽然可以实现螺旋状碳纳米管的合成，但是因为自身的局限性不能大量生产，例如，石墨电弧法和激光蒸发法需要高能量的输出并且螺旋状碳纳米管多为副产物，制备量较少，而cvd在需要高能输出的同时还对其核心作用的催化剂有着很高的要求。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种固相催化制备螺旋状碳纳米管的方法，本发明提供的方法所需设备简单，反应条件容易达到，并且产率较高，容易实现量产。

本发明提供一种固相催化制备螺旋状碳纳米管的方法，包括以下步骤：

a)将有机碳源和过渡金属离子在水中混合，得到混合溶液；所述有机碳源包括尿素和/或三聚氰胺；所述过渡金属离子包括镍离子和/或锰离子；

b)将所述混合溶液进行干燥，得到混合固体；

c)将所述混合固体进行煅烧，得到螺旋状碳纳米管。

优选的，所述步骤a)具体为：

将有机碳源和过渡金属盐在水中混合，得到混合溶液；

所述过渡金属盐包括mncl2和/或nicl2。

优选的，所述有机碳源和过渡金属离子的摩尔比为(1～5)：1。

优选的，所述步骤b)中干燥的温度为70～100℃；

所述步骤b)中干燥的时间为6～12小时。

优选的，所述步骤c)中煅烧的温度为500～800℃；

所述步骤c)中煅烧的时间为4～7小时。

优选的，所述煅烧的温度通过升温实现，所述升温的速率为2～6℃/min。

优选的，所述煅烧在保护性气体氛围下进行，所述保护性气体的流速为50～200ml/min。

优选的，所述步骤c)后还包括以下步骤：

将煅烧后的产品依次进行酸洗、水洗和醇洗，得到螺旋状碳纳米管。

优选的，所述酸洗采用浓硝酸，所述浓硝酸的质量浓度为60～70％。

优选的，所述醇洗采用乙醇，所述乙醇的体积浓度为30～60％。

本发明提供一种固相催化制备螺旋状碳纳米管的方法，包括以下步骤：a)将有机碳源和过渡金属离子在水中混合，得到混合溶液；所述有机碳源包括尿素和/或三聚氰胺；所述过渡金属离子包括镍离子和/或锰离子；b)将所述混合溶液进行干燥，得到混合固体；c)将所述混合固体进行煅烧，得到螺旋状碳纳米管。本发明提供的方法具有以下优点：

(1)碳源与催化剂成本低廉，容易获得，前期准备处理方法简单易行，有利于实现量产。

(2)含镍和/或锰的催化剂催化性能好，催化尿素和/或三聚氰胺可以大量的生成螺旋状的碳纳米管产品，产率高达45％。

(3)所涉及的设备简单，所需的反应条件容易达到。

(4)生产出的螺旋状碳纳米管大小分布均匀。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1中螺旋状碳纳米管的sem图；

图2为本发明实施例1中螺旋状碳纳米管的tem图。

具体实施方式

本发明提供了一种固相催化制备螺旋状碳纳米管的方法，包括以下步骤：

a)将有机碳源和过渡金属离子在水中混合，得到混合溶液；所述有机碳源包括尿素和/或三聚氰胺；所述过渡金属离子包括镍离子和/或锰离子；

b)将所述混合溶液进行干燥，得到混合固体；

c)将所述混合固体进行煅烧，得到螺旋状碳纳米管。

本发明中的反应以三聚氰胺和/或尿素为碳源，过渡金属为催化剂，反应条件简单，容易达到，并且产率较高，容易实现量产。

本发明将有机碳源和过渡金属离子在水中混合，得到混合溶液，优选将有机碳源和过渡金属盐在水中混合，得到混合溶液。

在本发明中，所述有机碳源为尿素和/或三聚氰胺，所述过渡金属离子为镍离子和/或锰离子，所述过渡金属盐优选包括mncl2和/或nicl2；所述水优选为去离子水，所述有机碳源和过渡金属离子的摩尔比优选为(1～5)：1，更优选为(2～4)：1，最优选为3:1。

本发明优选对所述混合溶液进行搅拌，使之能够在水中均匀分散，本发明对所述搅拌的时间没有特殊的限制，具体的，在本发明的实施例中，可以搅拌0.5～3小时。

本发明将所述混合溶液进行干燥，得到混合固体，本发明优选将所述混合溶液置于真空干燥箱中进行干燥，所述干燥的温度优选为70～100℃，更优选为80～90℃；所述干燥的时间优选为6～12小时，更优选为7～11小时，最优选为8～10小时。

得到混合固体后，本发明优选将所述混合固体进行碾磨，得到混合粉末，所述混合粉末的粒径优选为10～100μm，更优选为20～80μm，最优选为30～70μm。

本发明优选将混合粉末进行煅烧，得到螺旋状碳纳米管，本发明优选将所述混合粉末放入管式炉内进行煅烧，所述煅烧的温度优选为500～800℃，优选为550～750℃，最优选为600～700℃；所述煅烧的时间优选为4～8小时，更优选为5～7小时，最优选为6小时。本发明优选在保护性气体气氛下进行所述煅烧，煅烧结束后保持通保护性气体至所述煅烧产品在室温下冷却，所述保护性气体优选为氮气、氦气、或氩气；所述保护气体的流速优选为50～200ml/min，更优选为100～150ml/min。

完成所述煅烧后，本发明优选将所述煅烧后的产品依次进行酸洗、水洗和醇洗，得到螺旋状碳纳米管，本发明优选将煅烧后的产品在浓硝酸中搅拌洗涤10～12小时，然后再用去离子水和乙醇反复清洗。在本发明中，所述浓硝酸的质量浓度优选为60～70％，更优选为65％；所述乙醇的体积浓度优选为30～60％，更优选为35～55％，最优选为40～50％。

完成清洗后，本发明优选将清洗后的产品再次进行干燥，得到螺旋状碳纳米管所述干燥的温度优选为70～100℃，更优选为80～90℃；所述干燥的时间优选为8～24小时，更优选为10～20小时，最优选为12～18小时。本发明优选在真空干燥箱中进行所述干燥。

按照本发明中的方法制得的螺旋状碳纳米管，大小均一，碳纳米管直径为30～300nm，管长为1～30μm，螺旋直径为0.2～3μm。

本发明提供一种固相催化制备螺旋状碳纳米管的方法，包括以下步骤：a)将有机碳源和过渡金属离子在水中混合，得到混合溶液；所述有机碳源包括尿素和/或三聚氰胺；所述过渡金属离子包括镍离子和/或锰离子；b)将所述混合溶液进行干燥，得到混合固体；c)将所述混合固体进行煅烧，得到螺旋状碳纳米管。本发明提供的方法具有以下优点：

(1)碳源与催化剂成本低廉，容易获得，前期准备处理方法简单易行，有利于实现量产。

(2)含镍和/或锰的催化剂催化性能好，催化尿素和/或三聚氰胺可以大量的生成螺旋状的碳纳米管产品，产率高达45％。

(3)所涉及的设备简单，所需的反应条件容易达到。

(4)生产出的螺旋状碳纳米管大小分布均匀。

为了进一步说明本发明，以下结合实施例对本发明提供的一种固相催化制备螺旋状碳纳米管的方法进行详细描述，但不能将其理解为对本发明保护范围的限定。

以下实施例中，碳纳米管的产率按照以下公式计算：

其中，m1为碳纳米管的质量，m2为反应前催化剂的质量(即反应前过渡金属盐的质量)。

实施例1

取1g尿素和1gmncl2分别溶于去离子水中，混合物搅拌30min，以使得尿素和mncl2能够均匀在水中分散。将得到的混合溶液置于真空干燥箱中排气，温度保持在70℃，时间为6h。将得到的混合固体进行碾磨后的粉末放入管式炉内，在氮气的环境中，500℃下进行烧制，成型时间为4个小时。待煅烧结束，让药品在管式炉内继续保持通氮气状态，自然冷却到室温。将烧制好的材料用65％的浓硝酸搅拌洗涤12小时然后再用去离子水和酒精反复清洗。接着放置真空干燥箱中排气，温度保持在70℃，时间为8h。在室温下自然冷却后取出石英舟，即制备出大小均一的螺旋状碳纳米管(管直径：100～300nm；管长：10～30μm；螺旋直径1～3μm)。经计算，碳纳米管产率为30％。

本发明对本实施例制得的螺旋状碳纳米管分别进行了扫描电镜和透射电镜检测，结果如图1～2所示，图1为本发明实施例1中螺旋状碳纳米管的sem图，图2为本发明实施例1中螺旋状碳纳米管的tem图。

实施例2

取3g三聚氰胺和1gnicl2分别溶于去离子水中，混合物搅拌2h，以使得三聚氰胺和nicl2能够均匀在水中分散。将得到的混合溶液置于真空干燥箱中排气，温度保持在80℃，时间为10h。将得到的混合固体进行碾磨后的粉末放入管式炉内，在氮气的环境中，700℃下进行烧制，成型时间为6个小时。待煅烧结束，让药品在管式炉内继续保持通氮气状态，自然冷却到室温。将烧制好的材料用65％浓硝酸搅拌洗涤12小时然后再用去离子水和酒精反复清洗。接着放置真空干燥箱中排气，温度保持在80℃，时间为16h。在室温下自然冷却后取出石英舟，即制备出大小均一的螺旋状碳纳米管(管直径：50～200nm；管长：5～20μm；螺旋直径0.5～2μm)。经计算，碳纳米管产率为40％。

实施例3

取5g三聚氰胺和1gmncl2分别溶于去离子水中，混合物搅拌3h，以使得三聚氰胺和mncl2能够均匀在水中分散。将得到的混合溶液置于真空干燥箱中排气，温度保持在100℃，时间为12h。将得到的混合固体进行碾磨后的粉末放入管式炉内，在氮气的环境中，800℃下进行烧制，成型时间为8个小时。待煅烧结束，让药品在管式炉内继续保持通氮气状态，自然冷却到室温。将烧制好的材料用65％浓硝酸搅拌洗涤12小时然后再用去离子水和酒精反复清洗。接着放置真空干燥箱中排气，温度保持在100℃，时间为24h。在室温下自然冷却后取出石英舟，即制备出大小均一的螺旋状碳纳米管(管直径：30～100nm；管长：1～10μm；螺旋直径0.2～2μm)。经计算，碳纳米管产率为45％。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。