[發明專利]一種煤基碳納米管的制備和純化方法

有效

• 申請號: 201910837728.2
• 申請日: 2019-09-05
• 公開（公告）號: CN110562960B
• 公開（公告）日: 2022-08-02
• 發明（設計）人: 王影;呂學枚;張天開;劉俊;羅云煥;李國強;趙鈺瓊;朱沛宇
• 申請（專利權）人: 太原理工大學
• 主分類號: C01B32/162
• 分類號: C01B32/162;C01B32/17
• 代理公司: 太原晉科知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 14110
• 代理人: 翟沖燕

本發明屬碳納米管的制備技術領域，提供一種煤基碳納米管的制備和純化方法。煤為基礎，氯化鉀和碘化鉀混合為催化劑，煤與催化劑混合均勻后平鋪于反應器中，通入生成氣A微波加熱，煤表面得到煤基碳納米管；煤基碳納米管降溫至400℃，通入純化氣體B純化，當煤基碳納米管溫度高于550℃時，停止通純化氣體B通氮氣降溫至溫度400℃；重復生成、純化煤基碳納米管過程，碳納米管修復延長至煤質量分數為30%以下；酸洗，蒸餾水沖洗，60?90℃加熱脫除水分，即得純凈煤基碳納米管。以煤為基礎大量制備煤基碳納米管，減少煤基模板，盡可能提高煤基碳納米管的純度。完善了煤基制備碳納米管技術和提純工藝，使煤基碳納米管更具經濟優勢和產品優勢。

技術領域

本發明屬于碳納米管的制備技術領域，具體涉及一種煤基碳納米管的制備和純化方法，特別是一種用于減少以煤為基底合成碳納米管的煤的質量，并增加碳納米管的長度和數量的工藝。

背景技術

碳納米管因其獨特的一維結構在力學、電學、熱學及吸附等方面具有優異的特性而被廣泛使用，但是昂貴的碳納米管價格嚴重限制著其大規模應用市場。開發宏量制備低成本碳納米管的技術已成為碳納米材料領域最具挑戰性的方向之一。

煤基碳納米管指的是以煤為基底生產的包含煤基材料的碳納米管，ZL201810309097.2和ZL 201810590741.8均為本課題組用煤直接熱解制備煤基碳納米管的工藝，利用固體煤在催化劑條件下炭化，這種方法極大程度的縮減了碳納米管的制備工藝，制備完成后有時會存在煤基部分并影響碳納米管的純度，因此需要在制備的煤基碳納米管的基礎上進行進一步純化。

ZL 201711086932 .2利用煤的熱解氣制備石墨和碳納米管，但并未進行純化工藝，得到的煤基碳納米管純度低。

碳納米管的化學純化方法包括蒸氣氧化法和液體氧化法。氣體氧化劑包括空氣、Cl₂、HCl、SF₆和H₂S，液體氧化劑包括硝酸、過氧化氫、鹽酸、硫酸和磷酸。硝酸、硫酸或鹽酸是經濟有效的，但是封進管內的金屬催化劑很難去除，使得難以獲得超純碳納米管。另外，US8628748公開了一種采用鹵素氣體和/或鹵素化合物通過熱處理純化碳納米管的方法，US6752977公開了一種采用含鹵素氣體在200℃至500℃下熱處理碳納米管的方法。但是，由于鹵素氣體處理的不便性、環境風險和高投入成本，采用含鹵素化合物的情況是有問題的。

雖然目前有一些報道的方法也可以獲得高純度的單壁碳納米管，但其所用的原料往往是本身雜質含量就比較低的樣品，因此不夠經濟，另外采用高真空條件下超高溫煅燒的方法獲得高純度單壁納米管的條件是很苛刻的，比較難以實現和普及；再者多數方法都不適合大量樣品 (單次處理量＞ 200mg) 的純化工作，而隨著碳納米管應用的不斷拓展，對高純管的需求在迅速地增長，因此急需建立一種條件溫和的適宜于工業化大量生產的純化流程。

發明內容

本發明針對現有技術的不足，提供一種煤基碳納米管的制備和純化方法，保證碳納米管在不被氧化的前提下，具有優先將煤基模板氧化掉，最大限度的提高煤基碳納米管純度的特點。

本發明由如下技術方案實現的：一種煤基碳納米管的制備和純化方法，以質量份數為100份的煤為基礎，質量份數比為1:0-0.5的氯化鉀和碘化鉀混合為催化劑，添加催化劑的質量份數為5-10份；將煤與催化劑混合均勻后平鋪于反應器中，然后通入生成氣A，并微波加熱0.5-6h，煤表面得到煤基碳納米管；然后用將煤基碳納米管降溫至400℃，通入純化氣體B對煤基碳納米管純化，當純化過程中使煤基碳納米管溫度高于550℃時，停止通入純化氣體B并通入空速為3000-8000 h^-1的氮氣進行降溫，直到煤基碳納米管的溫度降至400℃；重復生成煤基碳納米管、純化煤基碳納米管的過程3-10次，碳納米管修復延長至煤基碳納米管中煤的質量分數保持在30%以下；然后將得到的煤基碳納米管酸洗，蒸餾水沖洗，然后60-90℃下加熱干燥1-3小時至水分脫除，即可得到純凈煤基碳納米管。

具體步驟如下：