[發明專利]一種高效提純化學氣相沉積法制備的單壁碳納米管的方法

有效

• 申請號: 201010278046.1
• 申請日: 2010-09-10
• 公開（公告）號: CN102398901A
• 公開（公告）日: 2012-04-04
• 發明（設計）人: 侯鵬翔;于冰;劉暢;成會明
• 申請（專利權）人: 中國科學院金屬研究所
• 主分類號: C01B31/02
• 分類號: C01B31/02;B82B3/00
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 張志偉

技術領域

本發明涉及單壁碳納米管領域，具體為化學氣相沉積法制備的單壁碳納米管的高效、簡單、可工業化的提純方法。

背景技術

單壁碳納米管自1993年被發現以來，因其獨特的結構而具有奇異的物理化學特性和優異的電學和力學性能，在納米電子元件、場發射以及復合材料等領域具有廣闊的應用前景。所有這些誘人的應用前景是以高純、大量、廉價的單壁碳納米管的獲得為前提的。傳統制備單壁碳納米管的三種方法中(化學氣相沉積法、電弧法、激光蒸發法)，化學氣相沉積法因其簡單、大量、廉價且可規模化等特點得到人們的青睞。然而目前化學氣相沉積法制備的單壁碳納米管的純度還比較低，因此尋找一種簡單、高效、可工業化的提純化學氣相沉積法制備的單壁碳納米管的方法成為制約單壁碳納米管工業化應用的瓶頸。

自單壁碳納米管被發現開始，單壁碳納米管的提純工作一直是科學工作者們的主要研究方向之一，尤其是化學氣相沉積法制備的單壁碳納米管的提純工作?，F有的提純化學氣相沉積法制備的單壁碳納米管的方法主要分為化學法、物理法及物理和化學相結合的方法(文獻1，Chiang?IW，Brinson?BE，Huang?AY，Willis?PA，Bronikowski?MJ，Margrave?JL，et?al.J?Phys?Chem?B105(35)：8297-301(2001)；文獻2，Hou?PX，Bai?S，Yang?QH，Liu?C，Cheng?HM.Carbon?40(1)：81-5(2002))?；瘜W法因提純過程簡單、提純量大且可規?；忍攸c受到人們的關注，該方法的主要問題是：在去除無定形炭等雜質的過程中，碳納米管的本征結構也被破壞。另外，由于化學氣相沉積法制備單壁碳納米管的過程中可變條件非常多，因此不同條件及不同批次生產出的單壁碳納米管的質量、純度都不一樣。而目前報道的諸多化學提純方法只分別適用于各研究者所研究的單壁碳納米管，對不同條件或不同批次的樣品難以實現對提純后單壁碳納米管純度和產率的同時保證。

發明內容

本發明的目的在于提供一種普適、高效提純化學氣相沉積法制備的單壁碳納米管的方法，并不破壞單壁碳納米管的本征結構，解決了目前對不同條件及不同批次化學氣相沉積法制備的單壁碳納米管的提純方法中，提純產率和純度無法同時保證等問題。

另外，本發明還解決了目前制約單壁碳納米管的工業化應用所遇到的瓶頸問題。

本發明的技術方案是：

一種高效提純化學氣相沉積法制備的單壁碳納米管的方法，將化學氣相沉積法制備的單壁碳納米管均勻置于水平加熱爐內，在空氣氣氛及無定形炭快速氧化溫度下，進行長時間(5-20h)氧化；將氧化后的樣品浸泡于鹽酸溶液中去除催化劑顆粒并用去離子水多次清洗。干燥后，可得到純凈的單壁碳納米管樣品。

本發明為普適、高效的提純化學氣相沉積法制備的單壁碳納米管的方法，在不破壞單壁碳納米管本征結構的前提下，可同時實現對單壁碳納米管的提純產率(＞90wt％)和純度(＞98wt％)的精確控制。

本發明中，無定形炭的氧化溫度由該批樣品的熱重曲線確定，具體如下：

將少量不同條件或不同批次制備的單壁碳納米管(～3mg)先進行熱重/差熱分析實驗，從該實驗曲線可定隆地分析出無定形炭的快速氧化溫度(一般為270-400℃)，并能定量地分析出無定形炭、碳納米管及金屬催化劑的含量。把大量該種單壁碳納米管樣品均勻放置于水平加熱爐內，在熱重/差熱分析實驗確定的無定形炭集中氧化的溫度下，長時間氧化(5-20h)，待爐體溫度冷卻到室溫后，將樣品取出，置于鹽酸溶液中浸泡去除催化劑粒子，清洗多次，直至鹽酸溶液不再變色為止，并用去離子水清洗多次，直至pH為7；真空干燥，最后可得到純度＞98wt％，產率＞90wt％的單壁碳納米管樣品(只計算單壁碳納米管的產率)。

所述鹽酸溶液的溫度為60-100℃，濃度為15-35wt％。

所述提純后單壁碳納米管的純度根據熱重/差熱曲線定量計算，而碳納米管的本征結構是否破壞也是根據熱重/差熱曲線定性得到(提純前后單壁碳納米管的氧化峰位不變)。

所述產率是指提純前后單壁碳納米管的重量比，根據下式計算得到：

{(提純后單壁碳納米管樣品的重量*(根據熱重/差熱曲線定量得到的提純后樣品中單壁碳納米管的重量百分比)}/{(原始單壁碳納米管樣品的重量*(根據熱重/差熱曲線定量得到的原始樣品中單壁碳納米管的重量百分比)}。(公式1)

所述的具體氧化時間根據原始樣品中無定形炭的含量多少來確定。