[發明專利]一種制備一維碳納米材料的方法

有效

• 申請號: 201610325417.4
• 申請日: 2016-05-17
• 公開（公告）號: CN105967167B
• 公開（公告）日: 2018-01-09
• 發明（設計）人: 程志林;劉盈盈
• 申請（專利權）人: 揚州大學
• 主分類號: C01B32/15
• 分類號: C01B32/15;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 揚州市錦江專利事務所32106
• 代理人: 江平

技術領域

本發明屬于納米碳材料的制備技術領域。

背景技術

碳納米管具有典型的層狀中空結構特征，而碳納米棒則是實心的棒狀結構特征。由于它們所具有特殊的結構而賦予的良好的物理化學性能，使其可以被用于電池、半導體材料、催化劑載體等方面，并且被譽為環境友好并為人類創造奇跡的新材料。

近年來發展的模板法制備碳納米材料引起了廣泛的重視。模板法具有合成工藝簡單、結構穩定及合成材料的形貌、大小、維數均一可控等諸多優點，目前，已經有很多文獻報道采用硬模板法制備一維碳納米材料，Hou等利用陽極氧化鋁膜為模板，通過化學氣相沉積法制備得到碳納米管[Hou P X. Templatesynthesis of ultra-thin and short carbon nanotubes with two open ends[J].J.Mater.chem,2012, 22(30):15221-15226.]。Liu等人從二氧化鈦納米管中生長出分布均勻，垂直站立在襯底上的碳納米棒[Liu S, Yang L, Xu S, Luo S, and Cai Q. Photocatalytic activities of C-N-doped TiO₂nanotube array/carbon nanorod composite[J].Electrochem. Commun., 2009, 11(9):1748-1751.]。

目前采用的模板法制備一維納米管或者碳納米棒都存在所用模板和碳源昂貴，制備過程繁瑣，條件比較苛刻，環境不友好，安全系數低，耗能較高等缺點。

發明內容

本發明目的是提出一種可降低生產成本、提高安全系數的制備一維碳納米材料的方法。

本發明包括以下步驟：

1）將天然埃洛石納米管在500～700℃溫度條件下焙燒6～8h后置于100～200℃烘箱中處理12～24h，取得埃洛石納米管；將聚乙烯醇溶解于去離子水中，形成濃度為15～30wt%的聚乙烯醇水溶液；

2）將埃洛石納米管與聚乙烯醇水溶液混合，經烘干，取得聚乙烯醇/埃洛石納米管復合物；

3）將聚乙烯醇/埃洛石納米管復合物置于管式爐中，于氮氣保護下煅燒，然后用濃度為20～40wt%的氫氟酸水溶液去除聚乙烯醇/埃洛石納米管復合物中的埃洛石納米管，再經過濾、洗滌和干燥，得到一維碳納米材料。

以上步驟1）中將天然埃洛石納米管進行焙燒后的埃洛石納米管的比表面積增大為30～60m²/g，再置于烘箱中處理去除埃洛石納米管置于空氣，其表面所吸附的水。

本發明以天然埃洛石納米管為模板，以聚乙烯醇為碳源，如碳源通過與模板表面的羥基結合，附著于埃洛石納米管表面，經高溫碳化酸洗去除模板過程，則得到碳納米管材料。如碳源填充進入模板管徑內，并在管徑內堆積，將管徑填滿，經高溫碳化酸洗去除模板過程，則得到碳納米棒材料。因此，本發明工藝制成的產品或為納米管或為納米棒或為納米管和納米棒的混合材料。

本發明的優點如下：

1、所選用的模板為埃洛石納米管，為天然粘土，無需制備，且來源廣泛，

無毒無害，價格低廉。

2、操作簡單，無需復雜設備，且低溫下即可制備得到碳源/模板復合物，降

低了能耗，實驗過程綠色安全。

3、通過改變碳源的添加量，可控制備得到碳納米管材料或碳納米棒材料，

所得碳納米管的孔徑在20nm左右，比表面積達到381.5m²/g，碳納米棒的直徑在15nm左右和比表面達到400～420m²/g。

進一步地，所述天然埃洛石納米管的孔徑約為20～30nm，比表面約為30～50m²/g。該參數的埃洛石納米管更有利于制備得到產物。

步驟1）中，所述聚乙烯醇的分子量為11～13萬，將聚乙烯醇溶解于去離子水中時溶解溫度條件為70～90℃。該參數的聚乙烯醇更有利于制備得到產物。

步驟2）中，埃洛石納米管與聚乙烯醇的混合質量比為1∶0.5～3。選用該用料比可使聚乙烯醇充分的負載于埃洛石納米管表面，或使聚乙烯醇更充分的填充入埃洛石納米管內部。

步驟2）中，將埃洛石納米管與聚乙烯醇水溶液進行混合的溫度條件為40～60℃；所述烘干溫度為40～60℃。選用該溫度條件可使反應更充分，使得到的聚乙烯醇/埃洛石納米管復合物更均勻。

將埃洛石納米管與聚乙烯醇水溶液進行混合的方法有兩種：