[發明專利]多壁碳納米管的剪切方法

無效

• 申請號: 200710040752.0
• 申請日: 2007-05-17
• 公開（公告）號: CN101054173A
• 公開（公告）日: 2007-10-17
• 發明（設計）人: 王曉霞;王健農
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: C01B31/02
• 分類號: C01B31/02;B82B3/00
• 代理公司: 上海交達專利事務所
• 代理人: 王錫麟;王桂忠

技術領域

本發明涉及的是一種納米技術領域的方法，特別是一種多壁碳納米管的剪切方法。

背景技術

碳納米管自被發現以來就以其獨特的機械、物理和化學性質引起人們關注，廣泛應于用電子、能源、材料等領域。但是目前各種方法制備的碳納米管都是大量團聚在一起，并且長度達到微米級，嚴重限制了碳納米管的應用，如分子電器領域，需要長度在10～300nm的碳納米管作為連接器；作為復合材料的增強材料，均勻分散的短碳納米管能夠減小應力集中，從而提高力學性能。為了得到所需的短碳納米管，常用的處理方法主要涉及物理過程、化學過程及兩者的結合。物理剪切是采用球磨或超聲處理碳納米管與研磨劑的混合物，兩者間較強的摩擦力和剪切力使碳碳鍵斷裂，達到剪切的目的，然而這種方法存在著碳管與研磨劑難以分離，且容易引入雜質的問題。最新報導的一種物理剪切方法是低溫粉碎法，將碳納米管分散到異丙醇溶液中在低溫粉碎機中處理30分鐘，得到長度小于500nm的碳納米管。這種方法需要在液氮中進行，并且需要專門的設備，不利于大規模生產。最初的化學剪切是用濃硫酸、濃硝酸或兩者的混酸回流處理碳納米管，使碳納米管壁缺陷處的碳原子被酸氧化而被截斷。同時在酸處理過程中，碳管壁上可引入羥基、羧基、羰基等官能團，使其在復合材料基質中達到更好的分散。

經對現有技術的文獻檢索發現，Z.Gu等在《NANO?LETT.》(納米通訊)，9(2002)1009-1013上發表的“Cutting?Single-Wall?Carbon?Nanotubes?throughFluorination(氟化作用剪切單壁碳納米管)”，該文中提出氟化處理剪切碳納米管的方法，具體方法為：首先將碳納米管在含氟氣氛中氟化，然后在氬氣氣氛中熱理或在濃酸中氧化，使氟化過程中形成的碳氟鍵斷裂以達到剪切碳納米管的目的。其不足在于：這些化學過程應用到濃酸及氟氣都是具有腐蝕性的，操作危險而且處理過程耗時，一般需要幾小時甚至幾十小時。

發明內容

本發明的目的在于針對現有技術的不足，提供一種多壁碳納米管的剪切方法，使其解決了背景技術中問題，所得到的短碳納米管長度在200～500nm。

本發明是通過以下技術方案實現的，本發明采用濕化學的方法在碳納米管表面沉積氧化鐵顆粒，再利用碳還原氧化鐵的反應，對碳納米管進行化學剪切。

本發明包括如下步驟：

(1)氧化鐵前驅體在碳納米管表面的沉積：將多壁碳納米管超聲分散到亞鐵鹽的水溶液中，在80℃水浴條件下強烈攪拌并滴加過氧化氫液體，保持溫度反應后過濾、干燥，得到管壁附著氧化鐵前驅體的碳納米管粉末；

所述的亞鐵鹽的水溶液濃度為0.5M，亞鐵鹽可選自七水硫酸亞鐵或氯化亞鐵；

所述的過濾，采用F型聚偏氟乙烯有機微孔濾膜，其濾孔直徑為0.45μm；

所述的多壁碳納米管與亞鐵鹽的水溶液的比例為：0.01～0.02g/ml；

所述的過氧化氫液體與亞鐵鹽的水溶液的比例為：3～5(vol/vol)；

所述保持溫度反應，反應時間為4小時；

所述過氧化氫液體，其濃度為30％；

所述干燥，是指：在100～120℃干燥2～4小時。

(2)多壁碳納米管的剪切：將步驟(1)得到的附著氧化鐵前驅體的碳納米管在石英管中惰性氣體保護下加熱升溫至400～500℃，在該溫度下保溫使前驅體轉化為氧化鐵，之后再次升溫至800～900℃發生還原反應，并在該溫度下保溫，冷卻后所得粉末在稀硝酸溶液中回流處理，以除去金屬鐵及剩余氧化鐵，待溫度降至室溫時，用去離子水稀釋，經過濾、洗滌、干燥后得到剪切后的碳納米管。

所述加熱升溫至400～500℃，其升溫速率為5～10℃/分鐘，在該溫度下保溫時間為2～3小時；

所述升溫至800～900℃，其升溫速率為5～10℃/分鐘，在該溫度下保溫時間為2～3小時；

所述冷卻，是指：在惰性氣氛下冷卻至室溫，惰性氣體為氬氣或氮氣。

所述在稀硝酸溶液中回流處理，是指：在稀硝酸溶液中超聲分散，并在100～120℃的溫度下回流反應2～3小時；

所述的氧化鐵，是指在400～500℃熱處理之后得到的，其占總混合物的質量百分含量為：50～80％；

所述稀硝酸溶液，是指68％濃硝酸溶液與去離子水的比例為：3～1(vol/vol)；

所述用去離子水稀釋，是指稀釋至pH值為6～7；

所述所得粉末在稀硝酸溶液中回流處理，碳納米管粉末與稀硝酸溶液的比例為：0.01～0.02g/ml。