专利名称：金属纳米颗粒功能化碳纳米管的制备方法和装置的制作方法
技术领域：
本申请涉及一种金属纳米颗粒功能化碳纳米管的制备方法和装置。
背景技术：
由于碳纳米管具有独特的电学性能、大的比表面积、高的机械强度、好的热稳定性和化学稳定性，使其在诸如作为透明导电电极、作为催化剂载体和柔性透明电子器件等领域有着潜在的应用。纯的本征碳纳米管的直径、管壁数目、卷曲方向、手性、纳米管的表面缺陷等因素对碳纳米管的物理和化学性能有重要影响，例如，多壁或少壁碳纳米管相对单壁碳纳米管具有较差的透光率；单壁碳纳米管根据卷曲方向和直径的不同可分别具有金属性和半导体性；碳纳米管的表面缺陷对其电导率有重要作用。近年来，研究者发现，采用不同材料对碳纳米管进行功能化修饰可丰富碳纳米管的性能，并进一步拓宽其应用领域。例如，通过杂原子参杂、聚合物复合、及贵金属和金属氧化物复合功能化后，能够显著地提高其作为传感器敏感材料对待测气体分子的灵敏度、选择性、响应速度等气敏性能。目前为止，人们已经采用化学气相沉积法(CVD)、水热法、溶剂热法、电化学法、无电沉积法等方法实现了对碳纳米管的功能化。然而，在这些方法中，CVD法需要较高的反应温度，且所得产物产率较低；水热法则需要高压的反应环境；电化学法只能实现对电极薄膜材料的功能化而不能形成大批量的功能化溶液；无电沉积法则受碳管本征电极电势的影响只能实现极少部分金属纳米粒子的功能化过程。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种金属纳米颗粒功能化碳纳米管的制备方法和装置，利用该装置和方法产量高。为实现上述 目的，本发明提供如下技术方案
一种金属纳米颗粒功能化碳纳米管的制备方法，在(Tioo°c的温度条件下，将阴极和由待功能化的Cu组成的阳极一起插入含有一定浓度的碳纳米管分散液的电解液中，并在阴极和阳极上加载(T220V的工作电压，同时伴以搅拌，反应一段时间后，电解液中的碳纳米管会被阳极上的Cu以纳米粒子的形式功能化，从而获得由金属纳米颗粒功能化的碳纳米管溶液。在上述的金属纳米颗粒功能化碳纳米管的制备方法中，所述碳纳米管分散液的浓度为 O. 0035-0. 035mg/ml。优选的，所述碳纳米管分散液中的碳纳米管为单壁碳纳米管、少壁碳纳米管和多壁碳纳米管中的任意一种或多种的组合。在上述的金属纳米颗粒功能化碳纳米管的制备方法中，所述电解液中还含有表面活性剂。优选的，所述表面活性剂选自十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠中的任意一种或两种的组合。
优选的,所述表面活性剂的浓度为l-10mg/ml。在上述的金属纳米颗粒功能化碳纳米管的制备方法中，所述电解液中还含有NH4Cl溶液。优选的，所述NH4Cl溶液的浓度为O. 01-0. 4mmol/ml。在上述的金属纳米颗粒功能化碳纳米管的制备方法中，所述的反应时间为5 90mino本申请还公开了一种用以制备上述金属纳米颗粒功能化碳纳米管的装置，所述装置包括用以容纳电解液的电解槽以及位于所述电解槽内且相对设置的阴极和阳极，所述阴极和阳极之间电性连接有电源。优选的，所述阴极和阳极之间的距离为l-4cm。本申请还公开了一种金属纳米颗粒功能化碳纳米管的制备方法，在(T100°C的温度条件下，将阴极和由待功能化的金属组成的阳极一起插入含有一定浓度的碳纳米管分散液的电解液中，并在阴极和阳极上加载(T220V的工作电压，同时伴以搅拌，反应一段时间后，电解液中的碳纳米管会被阳极上的金属以纳米粒子的形式功能化，从而获得由金属纳米颗粒功能化的碳纳米管溶液。所述的金属阳极可以是N1、Cu、Fe、Sn等金属。
与现有技术相比，本发明的优点在于可以实现大批量的制备，产量高，且反应温度为室温，小于100°C均可。
为了更清楚地说明本申请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申请中记载的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1所示为本发明具体实施例中金属纳米颗粒功能化碳纳米管的制备装置；
图2所示为本发明第一实施例中制备的Ni纳米颗粒功能化单壁碳纳米管的SEM照片；图3所示为本发明第二实施例中制备的Cu纳米颗粒功能化单壁碳纳米管的SEM照片(左)和EDS图谱(右)；
图4所示为本发明第三实施例中通过改变反应时间以调控所制备的Cu纳米颗粒功能化单壁碳纳米管的尺寸和分布的示意图。
具体实施例方式本发明实施例公开了一种金属纳米颗粒功能化碳纳米管的制备方法，在(Γ ΟΟ 的温度条件下，将阴极和由待功能化的金属组成的阳极一起插入含有一定浓度的碳纳米管分散液的电解液中，并在阴极和阳极上加载(T220V的工作电压，同时伴以搅拌，反应一段时间后，电解液中的碳纳米管会被阳极上的金属以纳米粒子的形式功能化，从而获得由金属纳米颗粒功能化的碳纳米管溶液。本发明实施例还公开了一种用以制备上述金属纳米颗粒功能化碳纳米管的装置，所述装置包括用以容纳电解液的电解槽以及位于所述电解槽内且相对设置的阴极和阳极，所述阴极和阳极之间电性连接有电源。利用上述的制备方法和装置，可以实现大批量的制备，产量高，且反应温度为室温，小于100°C均可。所述的待功能化的金属组成的阳极可以是N1、Cu、Fe、Sn等金属。如图1所示，阳极金属以Ni为例，在外界电场的作用下，阳极金属Ni将得到电子形成Ni离子，并与溶液中的NH3分子形成络合物Ni [ (NH3)6J2+,随后，Ni离子络合物将在溶液中的碳纳米管缺陷部位吸附，当碳纳米管与阴极电极形成回路时，Ni离子络合物将得到电子而生成Ni单质,在缺陷部位成核并生长为金属Ni纳米颗粒。随着反应时间的增加,金属纳米颗粒将逐渐长大，并最终包裹于碳纳米管表面。下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。图1所示为本发明具体实施例中金属纳米颗粒功能化碳纳米管的制备装置。
参图1所示，金属纳米颗粒功能化碳纳米管的装置包括用以容纳电解液的电解槽I以及位于所述电解槽内且相对设置的阴极2和阳极3，阴极2和阳极3之间电性连接有电源。阳极3为待功能化的金属，该金属包括N1、Cu、Fe、Sn等。阴极2和阳极3之间的距离优选为4cm。阴极2和阳极3之间的距离也可以在f 4cm之间任意选择。实施例1
Ni纳米颗粒功能化单壁碳纳米管的制备。采用图1中所述的装置，其中阳极为Ni ;电解液组分为一定浓度的碳纳米管溶液(O. 035mg/ml)、表面活性剂(5mg/ml，十二烷基苯磺酸钠)和O. 4mmol/ml的NH4Cl溶液组成的混合溶液100ml。在25°C的温度条件下，将阴极和由待功能化的Ni组成的阳极一起插入含有一定浓度的碳纳米管分散液的电解液中，并在阴极和阳极上加载3. 2 V的工作电压，同时伴以搅拌(25rpm)。反应30 min后，电解液中的碳纳米管将会被阳极上的Ni以纳米粒子的形式功能化，从而获得由金属纳米颗粒功能化的碳纳米管溶液。图2所示为第一实施例中制备的Ni纳米颗粒功能化单壁碳纳米管的SEM照片，由图2中可以明显的看出Ni纳米颗粒已被均一的生长于碳纳米管表面。实施例2
Cu纳米颗粒功能化单壁碳纳米管的制备。采用图1中所述的装置，其中阳极为Cu ;电解液组分为一定浓度的碳纳米管溶液(O. 035mg/ml)、表面活性剂(5mg/ml，十二烷基苯磺酸钠)和O. 4mmol/ml的NH4Cl溶液组成的混合溶液IOOml ；
在25°C的温度条件下，将阴极和由待功能化的Cu组成的阳极一起插入含有一定浓度的碳纳米管分散液的电解液中，并在阴极和阳极上加载3. 2 V的工作电压，同时伴以搅拌(25rpm)0反应60 min后，电解液中的碳纳米管将会被阳极上的Cu以纳米粒子的形式功能化，从而获得由金属纳米颗粒功能化的碳纳米管溶液。图3所示为第二实施例中制备的Cu纳米颗粒功能化单壁碳纳米管的SHM照片(左)和EDS图谱(右)。由图3中的SEM照片可以看出有纳米颗粒均一的生长于碳纳米管之上，对应的EDS图谱说明所制备纳米颗粒中有Cu元素的存在。实施例3
改变第二实施例中的反应时间，可以调控所制备的Cu纳米颗粒功能化单壁碳纳米管的尺寸和分布，当分别反应IOmin, 30min, 60min和90min之后,所的样品的SEM照片如图
4所示。由图4可以看出，随着反应时间的增加，碳纳米管上的纳米颗粒尺寸和数量逐渐增加，最终将形成Cu薄膜包裹于碳纳米管表面。实施例4
Cu纳米颗粒功能化单壁碳纳米管的制备。采用图1中所述的装置，其中阳极为Cu ;电解液组分为一定浓度的碳纳米管溶液(O. 0035mg/ml)、表面活性剂(10mg/ml，十二烷基苯磺酸钠)和O. O Immo I/ml的NH4Cl溶液组成的混合溶液IOOml ；
在80°C的温度条件下，将阴极和由待功能化的Cu组成的阳极一起插入含有一定浓度的碳纳米管分散液的电解液中，并在阴极和阳极上加载IlOV的工作电压，同时伴以搅拌(25rpm)0反应5 min后，电解液中的碳纳 米管将会被阳极上的Cu以纳米粒子的形式功能化，从而获得由金属纳米颗粒功能化的碳纳米管溶液。实施例5
Fe纳米颗粒功能化单壁碳纳米管的制备。采用图1中所述的装置，其中阳极为Fe ;电解液组分为一定浓度的碳纳米管溶液(O. 025mg/ml)、表面活性剂(lmg/ml,十二烷基苯磺酸钠)和O. 2mmol/ml的NH4Cl溶液组成的混合溶液IOOml ；
在5°C的温度条件下，将阴极和由待功能化的Fe组成的阳极一起插入含有一定浓度的碳纳米管分散液的电解液中，并在阴极和阳极上加载IlOV的工作电压，同时伴以搅拌(25rpm)0反应90 min后，电解液中的碳纳米管将会被阳极上的Fe以纳米粒子的形式功能化，从而获得由金属纳米颗粒功能化的碳纳米管溶液。需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。以上所述仅是本申请的具体实施方式
，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。
权利要求
1.一种金属纳米颗粒功能化碳纳米管的制备方法，其特征在于在(Γιοο 的温度条件下，将阴极和由待功能化的Cu组成的阳极一起插入含有一定浓度的碳纳米管分散液的电解液中，并在阴极和阳极上加载(T220V的工作电压，同时伴以搅拌，反应一段时间后，电解液中的碳纳米管会被阳极上的Cu以纳米粒子的形式功能化，从而获得由金属纳米颗粒功能化的碳纳米管溶液。
2.根据权利要求1所述的金属纳米颗粒功能化碳纳米管的制备方法，其特征在于所述碳纳米管分散液的浓度为O. 0035-0. 035mg/ml。
3.根据权利要求1或2所述的金属纳米颗粒功能化碳纳米管的制备方法，其特征在于 所述碳纳米管分散液中的碳纳米管为单壁碳纳米管、少壁碳纳米管和多壁碳纳米管中的任意一种或多种的组合。
4.根据权利要求1至3任一所述的金属纳米颗粒功能化碳纳米管的制备方法，其特征在于所述电解液中还含有表面活性剂。
5.根据权利要求4所述的金属纳米颗粒功能化碳纳米管的制备方法，其特征在于所述表面活性剂选自十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠中的任意一种或两种的组合。
6.根据权利要求4或5所述的金属纳米颗粒功能化碳纳米管的制备方法，其特征在于 所述表面活性剂的浓度为l-10mg/ml。
7.根据权利要求1至6任一所述的金属纳米颗粒功能化碳纳米管的制备方法，其特征在于所述电解液中还含有NH4Cl溶液。
8.根据权利要求7所述的金属纳米颗粒功能化碳纳米管的制备方法，其特征在于所述NH4Cl溶液的浓度为O. 01-0. 4mmol/ml。
9.根据权利要求1至8任一所述的金属纳米颗粒功能化碳纳米管的制备方法，其特征在于所述的反应时间为5 90min。
10.用以制备权利要求1至9任一所述的金属纳米颗粒功能化碳纳米管的装置，其特征在于所述装置包括用以容纳电解液的电解槽以及位于所述电解槽内且相对设置的阴极和阳极，所述阴极和阳极之间电性连接有电源。
11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于所述阴极和阳极之间的距离为l-4cm。
12.—种金属纳米颗粒功能化碳纳米管的制备方法，其特征在于在(T100°C的温度条件下，将阴极和由待功能化的金属组成的阳极一起插入含有一定浓度的碳纳米管分散液的电解液中，并在阴极和阳极上加载(T220V的工作电压，同时伴以搅拌，反应一段时间后，电解液中的碳纳米管会被阳极上的金属以纳米粒子的形式功能化，从而获得由金属纳米颗粒功能化的碳纳米管溶液。
13.用以制备权利要求11所述的金属纳米颗粒功能化碳纳米管的装置，其特征在于 所述装置包括用以容纳电解液的电解槽以及位于所述电解槽内且相对设置的阴极和阳极， 所述阴极和阳极之间电性连接有电源。
全文摘要
金属纳米颗粒功能化碳纳米管的制备方法和装置。本申请公开了一种金属纳米颗粒功能化碳纳米管的制备方法，具体为在0~100℃的温度条件下，将阴极和由待功能化的金属组成的阳极一起插入含有一定浓度的碳纳米管分散液的电解液中，并在阴极和阳极上加载0~220V的工作电压，同时伴以搅拌，反应一段时间后，电解液中的碳纳米管会被阳极上的金属以纳米粒子的形式功能化，从而获得由金属纳米颗粒功能化的碳纳米管溶液。本申请的碳纳米管可以实现大批量的制备，产量高，且反应温度为室温，小于100℃均可。
文档编号B82Y30/00GK103043653SQ201310016490
公开日2013年4月17日 申请日期2013年1月17日 优先权日2013年1月17日
发明者张珽, 陈绍枢, 王学文, 刘冬薇, 李光辉, 刘瑞, 熊作平 申请人:中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所