[發(fā)明專利]一種以富勒烯煙炱為原料制備碳納米管的方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410123408.8
• 申請(qǐng)日: 2014-03-31
• 公開（公告）號(hào): CN103910351A
• 公開（公告）日: 2014-07-09
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李兵紅;范正平;金永中
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中橡集團(tuán)炭黑工業(yè)研究設(shè)計(jì)院;四川理工學(xué)院
• 主分類號(hào): C01B31/02
• 分類號(hào): C01B31/02;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 泰和泰律師事務(wù)所 51219
• 代理人: 李華

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種制備碳納米管的方法，特別涉及一種采用富勒烯煙炱制備碳納米管的方法。

背景技術(shù)

1991年，日本電子公司（NEC）的飯島澄男（Iijima）博士在用電子顯微鏡觀察石墨電極直流放電的產(chǎn)物時(shí)，發(fā)現(xiàn)一種新的碳結(jié)構(gòu)——碳納米管（Carbon?Nanotubes,CNTs），由此開辟了碳材料科學(xué)發(fā)展的新篇章，也把人們帶入了納米科技的新時(shí)代。

　　碳納米管具有一維中空的納米結(jié)構(gòu)，管徑一般為幾個(gè)納米到幾十納米，管長(zhǎng)可達(dá)幾十微米甚至更長(zhǎng)，比表面積大，機(jī)械強(qiáng)度高，熱導(dǎo)率是目前導(dǎo)熱性能最好的金剛石的2倍，電流傳輸能力是金屬銅線的1000倍，同時(shí)還有獨(dú)特的金屬或半導(dǎo)體導(dǎo)電性。碳納米管獨(dú)特的結(jié)構(gòu)以及與之相關(guān)的力學(xué)、電學(xué)、電磁學(xué)及化學(xué)性能，使其在物理、信息技術(shù)、環(huán)境科學(xué)、材料科學(xué)、能源技術(shù)、生命及醫(yī)藥科學(xué)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。　　

碳納米管的制備是對(duì)其開展研究與應(yīng)用的前提，大批量、低成本的合成工藝是碳納米管能否實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用的保證。目前制備碳納米管的方法主要有電弧放電法、激光法和化學(xué)氣相沉積法（CVD）等。電弧法是最早的制備碳納米管的方法，工藝比較簡(jiǎn)單。它是在真空反應(yīng)器中充以一定壓力的惰性氣體或氫氣，采用較粗大的石墨棒為陰極、細(xì)石墨棒為陽極，在電弧放電的過程中陽極石墨棒不斷被消耗，同時(shí)在石墨陰極上沉積出含有碳納米管的產(chǎn)物。激光法是用高能量密度激光照射置于真空腔體中的靶體表面，將碳原子或原子基團(tuán)激發(fā)出靶的表面，在載體氣體中這些原子或原子基團(tuán)相互碰撞而形成碳納米管。這兩種方法都是以固態(tài)的碳作為生長(zhǎng)碳納米管的前驅(qū)體，在數(shù)千度的高溫下使之蒸發(fā)得到碳納米管，所以碳納米管的石墨化程度高，結(jié)構(gòu)完美，但往往伴有大量的無定形副產(chǎn)品，產(chǎn)率較低。化學(xué)氣相沉積法因制備條件簡(jiǎn)單、可大規(guī)模生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)得到人們的普遍使用，它主要以C₂H₂氣體做碳源，以金屬催化劑做晶種，在相對(duì)低的溫度下（500～1000℃）C₂H₂裂解而得到碳納米管。由于生長(zhǎng)溫度較低，所得的碳納米管不直，常含有較多的缺陷和雜質(zhì)。

富勒烯（Fullerene）是由碳原子組成的一系列籠形單質(zhì)分子的總稱，最典型的富勒烯是C₆₀和C₇₀。富勒烯及其衍生物在工程材料、生物醫(yī)藥、能源、環(huán)境、信息等方面表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，在高技術(shù)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，因此宏量制備富勒烯的方法就成為研究的熱點(diǎn)。

目前，富勒烯制備方法主要有電弧法和燃燒法等。在制備富勒烯的過程中，由于富勒烯的收率較低，因而副產(chǎn)出大量的富勒烯煙炱。富勒烯煙炱(Fullerene-extracted?Soots)是制備富勒烯C₆₀/C₇₀過程中，提取C₆₀/C₇₀后得到的產(chǎn)物，其主要成分碳含量在95%以上，呈不定型結(jié)構(gòu)，顆粒尺寸約為50?nm（見附圖1）。為防止污染，通常將富勒烯煙炱作為廢料焚燒處理掉或者作為低檔次的復(fù)合材料填料使用。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的發(fā)明目的在于：針對(duì)上述存在的問題，提供一種利用富勒烯煙炱為原料制備碳納米管的方法。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案是這樣的：依次包括以下步驟，

（1）稱量：將富勒烯煙炱與催化劑按照質(zhì)量比100：（0.5～10）稱量，所述催化劑為含有鐵、鈷、鎳或稀土元素的物質(zhì)中的至少一種；

（2）混合：將富勒烯煙炱與催化劑混合；

（3）熱處理：將步驟（2）混合后得到的物料加熱到600～1000℃，加熱時(shí)在惰性氣體保護(hù)下進(jìn)行，并在600～1000℃在下保溫時(shí)間至少1小時(shí)，冷卻后即得。這種方法制備碳納米管的生長(zhǎng)機(jī)理為：由于富勒烯煙炱具有較多的類富勒烯結(jié)構(gòu)，在600～1000℃與鐵、鈷、鎳或稀土元素生成金屬碳化物，當(dāng)碳的濃度達(dá)到一定程度后過飽和析出，形成規(guī)則排列的碳納米管。碳納米管的直徑與金屬顆粒的直徑有關(guān)，碳納米管的持續(xù)生長(zhǎng)由碳通過金屬催化劑顆粒擴(kuò)散而驅(qū)動(dòng)，當(dāng)碳擴(kuò)散的速率與沉積速率不匹配時(shí)，過多的碳沉積將催化劑表面包裹，從而導(dǎo)致停止生長(zhǎng)。

作為優(yōu)選：步驟（2）所述的混合方法為球磨。這樣可以混合均勻，從而有利于催化劑與富勒烯煙炱的充分接觸和反應(yīng)，提高催化劑利用率和碳納米管收率。

作為優(yōu)選：步驟（2）所述的混合方法為溶劑混合，即將含有催化劑元素的物質(zhì)配成溶液，再與富勒烯煙炱混合，這樣有利于混合均勻。