[發明專利]一種使用碳包覆金屬催化劑制備的碳納米管材料及其制備方法

有效

• 申請號: 201611102154.7
• 申請日: 2016-12-05
• 公開（公告）號: CN106587010B
• 公開（公告）日: 2018-09-14
• 發明（設計）人: 曾建皇;劉真;吳欣;蔣揚程;廖世軍
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: C01B32/162
• 分類號: C01B32/162;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 廣州粵高專利商標代理有限公司 44102
• 代理人: 何淑珍

本發明公開了一種使用碳包覆金屬催化劑制備的碳納米管材料及其制備方法，屬于碳納米管材料技術領域。所述制備方法為：將過渡金屬前驅體與葡萄糖、檸檬酸鈉的水溶液混合，在反應釜中120~200℃反應，得到碳包覆的過渡金屬催化劑。然后將過渡金屬催化劑置于管式爐中，升溫至400~500℃，通入氫氣；然后升溫至600~800℃，通入氮氣與乙炔的混合氣作為碳源，在碳包覆過渡金屬催化劑表面化學氣相沉積生長碳納米管材料。由于本發明制備的用于化學氣相沉積的金屬催化劑表面受到碳的包覆，顆粒小且不會在高溫下燒結長大，因此本發明制備的碳納米管管徑小且分布均勻。

技術領域

本發明屬于碳納米管材料技術領域，具體涉及一種使用碳包覆金屬催化劑制備的碳納米管材料及其制備方法。

背景技術

一維碳納米管具有很大的長徑比，經過調控，可以獲得較大的比表面積和較高的石墨化程度，在超級電容器、催化劑載體、儲氫、鋰離子電池等領域具有廣泛的應用。

碳納米管的制備方法主要有電弧法、激光法和化學氣相沉積法。使用過渡金屬催化劑、化學氣相沉積制備碳納米管是其中最普遍的制備方法。該方法成本低、碳源供給率高、產品純度高。目前普遍接受的生長機理為：高溫下，氣體碳源在過渡金屬催化劑表面發生分解，形成的碳在催化劑顆粒中溶解；隨著碳的不斷溶解，當達到過飽和時，便從金屬中析出，形成碳納米管。由于這類過渡金屬催化劑通常由浸漬法制備，顆粒較大且粒徑分布廣；而且在高溫條件下這類催化劑不可避免的團聚長大，使粒徑分布更廣。以上兩個因素，導致生長的碳納米管管徑大小不一、且管徑大。

發明內容

為了解決以上現有技術的缺點和不足，本發明的首要目的在于提供一種使用碳包覆金屬催化劑制備的碳納米管材料的制備方法。

本發明的另一目的在于提供一種由上述方法制備得到的碳納米管材料。

本發明目的通過以下技術方案實現。

一種使用碳包覆金屬催化劑制備的碳納米管材料的制備方法，包括以下步驟：

(1)碳包覆金屬催化劑的制備：將含過渡金屬前驅體水溶液、葡萄糖水溶液(C₆H₁₂O₆)、檸檬酸鈉水溶液(Na₃C₆H₅O₇·2H₂O)的混合溶液攪拌均勻，再轉移到水熱反應釜中，120～200℃反應，然后將反應后的固體抽濾，用去離子水洗滌，烘干備用，得到碳包覆金屬催化劑；

(2)使用碳包覆金屬催化劑制備碳納米管材料：將步驟(1)的碳包覆金屬催化劑置于管式爐中，通氮氣保護，將管式爐溫度升溫至400～500℃，通入氫氣；然后將管式爐溫度升溫至600～800℃，并通入氮氣與乙炔的混合氣作為碳源，在碳包覆金屬催化劑表面化學氣相沉積生長碳納米管；然后將氮氣與乙炔的混合氣轉換為氮氣，自然冷卻至室溫，得到碳納米管材料。

優選的，步驟(1)所述過渡金屬前驅體為含有銅、鐵、鈷、鎳的無機鹽的一種或者幾種。

進一步優選的，所述過渡金屬前驅體為Cu(NO ₃)₂、FeCl₃、CoCl₂和NiCl₂中的一種或幾種。

優選的，步驟(1)所述混合溶液中葡萄糖與過渡金屬前驅體的質量比為2:1～5:1，檸檬酸鈉與過渡金屬前驅體的質量比為1:1～3:1。

優選的，步驟(1)所述反應的時間為12～72h。

優選的，步驟(2)中，通入氫氣后保持0.5～2h。

優選的，步驟(2)中，在碳包覆金屬催化劑表面化學氣相沉積生長碳納米管的沉積時間為2～4h。