[發(fā)明專(zhuān)利]一種包覆有碳膜的碳納米管微球的制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201610677456.0
• 申請(qǐng)日: 2016-08-15
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN106276859B
• 公開(kāi)（公告）日: 2018-11-30
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 馮奕鈺;司倩宇;秦盟盟;封偉
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 天津大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): C01B32/162
• 分類(lèi)號(hào): C01B32/162;C01B32/164;C01B32/168;B82Y40/00;B82Y30/00;H01G11/32;H01M4/583;H01M4/36
• 代理公司: 天津市北洋有限責(zé)任專(zhuān)利代理事務(wù)所 12201
• 代理人: 王麗

本發(fā)明涉及一種包覆有碳膜的碳納米管微球的制備方法，將無(wú)水乙醇與二氯苯攪拌混合均勻制備碳源溶液；將具有催化活性的含鐵化合物溶于上述碳源溶液，配置成含鐵元素的碳源溶液；將微晶石墨放置于管式爐中，通入氬氣和氫氣，加熱管式爐升溫至650～950℃，將含鐵催化劑的碳源溶液注射入管式爐中用以在微晶石墨上生長(zhǎng)碳納米管，生長(zhǎng)結(jié)束后保持溫度、氣流速度不變，停止注射上述含鐵催化劑的碳源溶液；然后注射不含鐵催化劑的碳源溶液，進(jìn)行碳膜的沉積，反應(yīng)結(jié)束后待管式爐降至室溫后取出樣品。該結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)核殼結(jié)構(gòu)，是由疏松的碳納米管和致密的碳膜組成，具有很大的空隙和比表面積，有作為電極材料的潛力用于制備超級(jí)電容器和鋰離子電池等。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及新型碳材料的制備方法，更具體的說(shuō)涉及一種包覆有碳膜的碳納米管微球的制備方法。

背景技術(shù)

碳元素是自然界中存在的與人類(lèi)最密切相關(guān)、最重要的元素之一，它具有多樣的電子軌道特性(sp、sp2、sp3雜化)，特別是以sp2雜化的碳原子，其晶體的各向異性導(dǎo)致了結(jié)構(gòu)、導(dǎo)電能力、導(dǎo)熱能力、力學(xué)性能等的各向異性。以碳元素為唯一構(gòu)成元素的碳材料具有各種各樣的性質(zhì)，如力熱各向異性、比表面積大、吸附能力強(qiáng)、化學(xué)穩(wěn)定性好、催化活性高、易于反復(fù)應(yīng)用等。

碳元素可形成許多結(jié)構(gòu)與性質(zhì)完全不同的物質(zhì)，宏觀碳材料主要包括金剛石、石墨、碳纖維等，微納米碳材料主要包括碳納米管、碳納米纖維、石墨烯等。相對(duì)宏觀碳材料，微納米碳材料由于更大的比表面積、更加完善的晶體結(jié)構(gòu)、更加多樣的復(fù)合方式等，近年來(lái)得到了廣大科研工作者更廣泛的研究，多種結(jié)構(gòu)的碳納米復(fù)合材料得到開(kāi)發(fā)和研究。然而，由于碳元素和碳材料具有形式和性質(zhì)的多樣性，決定了碳和碳材料仍有許多不為人們所知曉的未開(kāi)發(fā)部分，這促使廣大科研者對(duì)碳材料進(jìn)行更多樣化的研究，希望得到性能各異的新型碳材料。目前制備碳材料的方法主要是化學(xué)氣相沉積法，通過(guò)調(diào)控化學(xué)氣相沉積的時(shí)間、溫度、催化劑等工藝參數(shù)可以制備出多種多樣的碳納米復(fù)合材料，這類(lèi)新型的碳納米復(fù)合材料有望在能源、環(huán)境、航空等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)在碳材料制備方法復(fù)雜，形貌單一的不足，提供了一種使用化學(xué)氣相沉淀一步法制備包覆有碳膜的碳納米管微球的制備方法，如圖1所示，成功制備出一種新型碳材料。該方法得到的碳納米管微球該結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)核殼結(jié)構(gòu)，是由疏松的碳納米管和致密的碳膜組成，具有很大的空隙和比表面積，可以作為電極材料。

本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

一種包覆有碳膜的碳納米管微球的制備方法，是采用化學(xué)氣相沉積法依次制備碳納米管和碳膜，按照下述步驟進(jìn)行：

(1)將無(wú)水乙醇與二氯苯攪拌混合均勻制備碳源溶液；

(2)將具有催化活性的含鐵化合物溶于上述碳源溶液，配置成含鐵元素的碳源溶液；

(3)將微晶石墨放置于管式爐中，通入氬氣和氫氣，加熱管式爐升溫至650～950℃，將步驟2)的含鐵催化劑的碳源溶液注射入管式爐中用以在微晶石墨上生長(zhǎng)碳納米管，生長(zhǎng)結(jié)束后保持溫度、氣流速度不變，停止注射上述含鐵催化劑的碳源溶液；然后注射步驟1)中不含鐵催化劑的碳源溶液，進(jìn)行碳膜的沉積，反應(yīng)結(jié)束后待管式爐降至室溫后取出樣品。

所述步驟(1)中，無(wú)水乙醇與二氯苯質(zhì)量比為0.1-10:1。

所述步驟(2)中，具有催化活性的含鐵化合物可以是硝酸鐵、二茂鐵或硫酸亞鐵中的任意一種或幾種，其中鐵元素在碳源溶液中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1～5％。

所述步驟(3)中，在微晶石墨上生長(zhǎng)碳納米管的生長(zhǎng)時(shí)間為30～120min，碳膜的沉積時(shí)間為30～120min。

所述步驟(3)中，含鐵催化劑的碳源溶液注射速度為10～30mL/h，不含鐵催化劑的碳源溶液注射速度為10～30mL/h。

所述步驟(3)中，注射的不含鐵催化劑的碳源溶液的質(zhì)量是含鐵催化劑的碳源溶液質(zhì)量的2-5倍。