[發明專利]一種以二甲硫醚為碳源制備Y形碳納米管的方法

無效

• 申請號: 200910073892.7
• 申請日: 2009-03-03
• 公開（公告）號: CN101531361A
• 公開（公告）日: 2009-09-16
• 發明（設計）人: 杜高輝;周永生;劉光煥;劉旭光;許并社
• 申請（專利權）人: 太原理工大學
• 主分類號: C01B31/02
• 分類號: C01B31/02
• 代理公司: 太原市科瑞達專利代理有限公司
• 代理人: 江淑蘭

1.一種以二甲硫醚為碳源制備Y形碳納米管的方法，其特征在于：使用的化學物質為二甲硫醚、硝酸鎂、硝酸鈷、鹽酸、氬氣、氫氣、去離子水、無水乙醇，其組合用量如下：以毫升、克、厘米³為計量單位

二甲硫醚：C₂H₆S??200ml±10ml

硝酸鈷：Co(NO₃)₂?100g±1g

硝酸鎂：Mg(NO₃)₂?100g±1g

鹽酸：HCL?500ml±10ml

無水乙醇：CH₃CH₂OH?500ml±10ml

去離子水：H₂O?10000ml±10ml

氫氣：H₂?300000cm³±100cm³

氬氣：Ar?500000cm³±100cm³

制備方法如下：

(1)、精選化學物質原料

對制備所需的化學物質要進行精選，并進行純度和精度控制：

二甲硫醚：液態液體99.0％

硝酸鈷：固態固體98.0％

硝酸鎂：固態固體98.0％

鹽酸：液態液體濃度10％

無水乙醇：液態液體99.7％?

去離子水：液態液體99.7％

氫氣：氣態氣體95％

氬氣：氣態氣體95％

(2)、清洗石英管

用去離子水500ml灌洗、刷洗石英管內壁，使其潔凈，再用無水乙醇擦洗兩端口，清洗后晾干；

(3)、超聲清洗石英舟

將石英舟置于燒杯中，加入無水乙醇100ml，然后置于超聲波清洗器中，超聲清洗15min；

(4)、干燥處理石英舟

將超聲清洗后的石英舟置于干燥箱中干燥，干燥溫度為70℃，干燥時間為25min；

(5)、合成催化劑

①將硝酸鈷3g、硝酸鎂10g混合，用瑪瑙研缽研磨5min，使兩者混合均勻，成：硝酸鈷+硝酸鎂混合物；

②熱分解處理：將研磨的硝酸鈷+硝酸鎂混合物置于燒杯中，然后放入加熱爐中，進行熱分解處理，熱分解溫度為600℃±5℃，時間120min±10min，化學熱分解反應方程式為：

然后隨爐冷卻至20℃±3℃；

③熱還原處理：熱分解后的氧化鈷+氧化鎂混合物放入氫氣氣氛中的加熱爐進行還原反應，還原溫度600℃±5℃，氫氣輸入速度為100cm³/min，時?間60min±5min，化學還原反應方程式為：

然后隨爐冷卻至20℃±3℃；

還原后催化劑為：鈷+氧化鎂即：Co+MgO

④將還原反應的產物收集，即為所需要的催化劑固態粉末；

(6)、管式高溫爐中制備Y形碳納米管

①將催化劑粉末置于石英舟中；

②將裝有催化劑的石英舟裝入石英管中部高溫區段；

③將石英管左右部封堵，左部插入氬氣管和氫氣管，右部插入出氣管；

④在氫氣管路上安裝二甲硫醚容器瓶；

將液態二甲硫醚100ml±5ml加入無色透明的玻璃容器瓶中，將裝有二甲硫醚的容器瓶接入氫氣管上的兩個三通閥之間，左邊三通閥聯接氫氣流量計及氫氣瓶，右邊三通閥聯接氫氣管并伸入石英管內，通過兩個三通閥，調節二甲硫醚的輸入時段及輸入量；

⑤開啟氬氣瓶，向石英管內輸入氬氣，氬氣輸入速度為1700cm³/min，輸入時間為15min，驅除石英管內有害氣體，并由出氣管排出；

⑥開啟氫氣瓶，并調節兩個三通閥，向石英管內直接輸入氫氣，氫氣輸入速度為100cm³/min；

⑦開啟管式高溫爐，使其升溫，由20℃±3℃升至1000℃±5℃，升溫速度為15℃/min；

⑧調節兩個三通閥，向石英管內輸入氫氣+二甲硫醚，容器瓶內的二甲硫醚液體揮發產生蒸汽，在氫氣帶動下，隨氫氣一起輸入石英管內，輸入時間?為15min±1min，二甲硫醚在1000℃±5℃狀態下，進行裂解反應，在盛有催化劑的石英舟里分解、生長，生成Y型碳納米管，化學分解反應式如下：

式中：

C：碳

H₂S：硫化氫

CH₄：甲烷

⑨隨爐冷卻

化學分解反應完成后，關閉管式高溫爐，關閉氫氣瓶、碳源閥；

繼續輸入氬氣，石英舟內產物隨爐冷卻至20℃±3℃，冷卻后關閉氬氣瓶，打開石英管，取出石英舟；

發明原理：當碳源二甲硫醚在催化劑顆粒上發生分解反應時，會影響催化劑的生長活性點，當一個催化劑上的生長活性點發生位置變化時，就會使生長碳納米管的方向發生變化，這種生長活性點的多次變化促使了Y型碳納米管的形成；

(7)、收集產物

將石英舟中生成的碳納米管與催化劑鈷+氧化鎂粉末收集于燒杯中；

(8)、用稀鹽酸離心分離去除催化劑

在盛有產物及催化劑的燒杯中加入濃度為10％的稀鹽酸100ml，然后置于離心分離機上進行離心分離，分離轉數2700r/min，分離時間15min，催化劑鈷+氧化鎂溶于稀鹽酸，產物碳納米管在燒杯底部沉淀；

離心分離重復進行五次；?

(9)、去離子水超聲清洗五次

將離心分離的產物碳納米管置于燒杯中，加入去離子水100ml，然后置于超聲波清洗器中，進行超聲清洗，清洗后留下產物，即：黑色、空心、Y形碳納米管；

超聲清洗重復進行五次；

(10)、真空干燥產物

將超聲清洗后的產物及燒杯置于真空干燥箱中進行干燥處理，真空度為200Pa，干燥溫度70℃±2℃，干燥時間30min±2min，干燥后即得最終產物，即：黑色、空心、Y形碳納米管；

(11)、檢測、化驗、分析、表征

對制取的Y形碳納米管的形貌、成分、純度、結構進行化驗、分析表征；

用X射線粉末衍射儀對產物的晶體結構特征進行檢測、分析；

用場發射掃描電鏡放大10萬倍，對產物進行形貌分析；

用高分辨電子顯微鏡放大30萬倍，對產物的微觀結構進行分析；

結論：產物形貌為黑色、空心、Y形碳納米管，外徑為50-60nm，內徑為30-40nm，最大長度為30000nm；

(12)、產物儲存

對制備的黑色、空心、Y形碳納米管置于無色透明的玻璃容器中，密閉儲存于干燥、潔凈環境，要防水、防潮、防曬、防酸堿鹽侵蝕，儲存溫度20℃±3℃，相對濕度≤10％。

2.根據權利要求1所述的一種以二甲硫醚為碳源制備Y形碳納米管的方法，其特征在于：所述的Y形碳納米管的制備，是在管式高溫爐中進行的，管式高溫爐制備狀態如下：在高溫爐(1)內下部為道軌(9)，在高溫爐(1)?內道軌(9)上為可伸縮進出的石英管(2)，石英管內為管腔(3)，管腔(3)內中部為高溫區段(4)，左右部為第一、第二低溫區段(5、6)，在管腔(3)的高溫區段(4)內置放石英舟(11)，石英舟(11)上為鈷+氧化鎂催化劑(12)；在石英管(2)的右部設有密封塞(8)及出氣管(10)，在石英管左部設有密封塞(7)，并設置第二氬氣管(17)、第六氫氣管(26)；第二氬氣管(17)聯接氬氣流量計(15)、第一氬氣管(16)、氬氣閥(14)、氬氣瓶(13)；第六氫氣管(26)聯接第二三通閥(22)，第二三通閥(22)聯接第三、第四氫氣管(29、30)，第三氫氣管(29)伸入容器瓶(20)中，第三氫氣管(29)管口位于容器瓶(20)內的二甲硫醚液體(23)上方，第四氫氣管(30)左邊聯接第一三通閥(21)，第一三通閥(21)下面聯接第二氫氣管(27)，第二氫氣管(27)伸入容器瓶(20)中，其管口伸入二甲硫醚(23)內，第一三通閥(21)左部聯接第三氫氣管(28)、氫氣流量計(25)、第一氫氣管(24)、氫氣閥(19)、氫氣瓶(18)，容器瓶(20)內盛放碳源二甲硫醚(23)；石英舟(11)內的催化劑(12)上生成碳納米管產物。?