[發(fā)明專利]一種長度可控的碳納米管截短方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200810012566.0
• 申請日: 2008-07-30
• 公開（公告）號: CN101638228A
• 公開（公告）日: 2010-02-03
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 包信和;王傳付;潘秀蓮;郭淑靜;陳為
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所
• 主分類號: C01B31/02
• 分類號: C01B31/02
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標(biāo)代理有限公司
• 代理人: 馬 馳;周秀梅

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及碳納米管的可控截短方法，具體地說是一種溫和條件下的化學(xué)氧化截短方法，屬于納米催化材料的制備領(lǐng)域。

背景技術(shù)

碳納米管是一種具有許多奇異特性的新穎碳材料，如高強度，低密度，強導(dǎo)電能力，高比面積等，因此在催化、材料工程、電子等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。然而，無論用CVD或者是電弧放電的方法制得的碳納米管長度都在十幾到幾百微米長，在這些領(lǐng)域中應(yīng)用的時候，都涉及到如何將碳納米管截短，從而更好地發(fā)揮碳納米管的優(yōu)異性能的問題。

文獻上，對碳納米管的截短方法主要有化學(xué)方法和物理方法兩種，或者同時復(fù)合采用兩種方法。

化學(xué)方法主要是采用氧化劑氧化碳管管壁來達到截短的目的，包括濃酸和氧化性氣體處理兩種。如Liu等(Science，1998，280，1253)所采用的3∶1濃硫酸和濃硝酸的混和物在70℃處理單壁碳納米管，可以得到多數(shù)長度低于400納米的碳納米管。該方法的特點是酸首先攻擊管壁缺陷地方，如管頂端及管壁上的缺陷，若氧化性足夠強，則對所有管壁同時進行氧化，酸處理對于管壁的腐蝕非常嚴(yán)重，使得碳管的機械強度等性能參數(shù)大大降低，且直徑比較小的碳納米管往往被完全腐蝕掉，這種方法得到的碳納米管收率也比較低，對于單壁管收率只有30％或者更低。氧化性氣體處理的方法如專利WO2003086969、US2003010940和CN1628075A所述，以氟化劑與碳管反應(yīng)，從而將碳管截短，這種處理方法和采用濃酸處理一樣，同樣存在碳管壁破壞嚴(yán)重及收率低的問題。

文獻(Journal?of?materials?chemistry，2006，16，4231)采用了一種固相氧化反應(yīng)的方法來截短碳納米管。此方法先將Ni粒子擔(dān)載于碳納米管上，然后在空氣中400℃氧化處理2小時，然后再在He氣中加熱到900℃，得到截短的碳納米管。然而，此方法的處理溫度很高，并且Ni的擔(dān)載量高達50％，Ni粒子幾乎完全覆蓋碳納米管的表面，在空氣中長時間氧化必然伴隨著大量的質(zhì)量損失，因此收率會比較低，且得到碳納米管的長度無法有效地控制。

物理的方法主要是采用球磨、高功率超聲、超高電壓等手段來破壞碳管的壁來實現(xiàn)對碳管的截短。球磨的方法如Pierard等(Chemical?Physics?Letters，2001，335，1)采用的，將碳納米管與高強度的研磨劑混和，然后在球磨機中進行長時間的球磨將碳納米管截短。這種截短方法碳納米管的收率要高一些。但是，球磨的處理方法往往所需要的時間比較長，如(Chemical?Physics?Letters，2001，335，1)中報道的，得到500納米左右的碳管需要球磨120小時。此外，切短的碳納米管與研磨劑混和在一起，難以分離出來。高功率超聲及超高電壓的方法如文獻(carbon，1996，34，814)和文獻(US2007119372-A1)所述，這兩種方法只限于處理微量的碳納米管用于研究的目的，對于大規(guī)模的應(yīng)用則缺乏現(xiàn)實意義。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供了一種溫和條件下長度可控的碳納米管截短方法。與前述的文獻中截短方法相比，該方法的優(yōu)點在于處理條件溫和，碳納米管的長度可以控制并且收率較高，可用于大規(guī)模的截短處理。

本發(fā)明提供的碳納米管截短方法如下所述：將碳納米管表面進行親水性處理，然后將金屬催化劑分散在碳管表面，通過控制氣氛中氧氣的濃度和流速、氧化溫度、氧化時間等條件進行氧化處理，最終得到截短的碳納米管。

根據(jù)本發(fā)明，具體操作步驟可以分為：碳納米管表面親水處理，負(fù)載金屬，氧化截短。分別詳述如下：

(1).碳納米管的純化、表面親水處理

將碳納米管與稀硝酸在240～480r/min的攪拌速度下混合，然后加熱到50～110℃并在此溫度下維持0.5～5小時，，得到純化的、表面親水的碳納米管。

所述的碳納米管包括單壁碳納米管，雙壁碳納米管及多壁碳納米管。

所述的稀硝酸是將68％的硝酸與水按照7∶1～2∶1(V_H2O/V_HNO3，體積比)的比例混合得到的。

所述的稀硝酸與碳納米管的比例范圍是20～50(ml/g)。

(2).負(fù)載金屬

將金屬鹽溶液與步驟1得到的碳納米管按照0.005～0.5的比例混合，然后在25-80℃下，以120～240r/min攪拌速率，攪拌至無水狀態(tài)，在100-150℃烘干后，在流動的氣相中加熱到300-500℃得到負(fù)載金屬的碳納米管，透射電子顯微鏡表征表明金屬納米粒子均勻地分散于碳納米管的表面。