[發明專利]一種以醇類溶劑為碳源的碳納米管及其制備方法

在審

• 申請號: 202110206563.6
• 申請日: 2021-02-24
• 公開（公告）號: CN112978715A
• 公開（公告）日: 2021-06-18
• 發明（設計）人: 顧宏偉;曹雪琴;周成燕;耿洪波
• 申請（專利權）人: 蘇州大學
• 主分類號: C01B32/162
• 分類號: C01B32/162
• 代理公司: 蘇州市中南偉業知識產權代理事務所(普通合伙) 32257
• 代理人: 崔玉琳

本發明涉及一種以醇類溶劑為碳源的碳納米管及其制備方法。將金屬鹽和尿素溶于醇類溶劑中，并回流反應，反應完全后得到金屬有機框架(MOF)材料；然后在惰性氣體氛圍下，以醇類溶劑作為碳源，700?900℃下煅燒，得到碳納米管。由此延伸，利用功能性溶劑，以含氟等雜原子的醇為碳源，一步法得到功能化的碳納米管。

技術領域

本發明涉及碳納米管技術領域，尤其涉及以醇類溶劑為碳源的碳納米管及其制備方法。

背景技術

碳納米管具有高長徑比、楊氏模量和高導電性，因此在復合材料制備、超級電容器、光催化、微電子和納電子器件等領域都占有舉足輕重的地位。早在1953年，就有人在450℃下進行的CO與Fe₃O₄反應中發現了與碳納米管類似的線狀碳結構材料。幾十年后，日本NEC公司基礎研究實驗室的電鏡學家Iijima，于1991年在采用石墨電弧放電法制備富勒烯(C60)的研究中通過高分辨透射顯微鏡(HRTEM)意外發現了由多層石墨殼組成的、具有完整分子結構的同軸管狀新型富勒碳，即CNTs。這種材料具有納米量級尺寸的中空結構，因其優異的理化性能，掀起了科研人員研究碳納米材料的狂潮。

目前，常見的制備碳納米管技術包括：電弧放電法、激光蒸發法、火焰法和化學氣相沉積法(CVD)。與前三種方法相比，化學氣相沉積法具有大批量生產優質碳納米管的潛力。傳統的化學氣相沉積法是將烴類或含碳氧化物引入到含有催化劑的高溫管式爐中，經過金屬催化分解后形成碳納米管。該法產率高，特別是它可以通過調整催化劑及合成條件來達到控制碳納米管的形貌和結構。但目前仍存在以下缺點：其一，使用的金屬催化劑需通過多步預處理才具有催化活性；其二，作為碳源的氣體烴類物質或氣體碳氧化物，在實際操作和儲存運輸上都存在一定的局限性；其三，制得的碳納米管產物中，仍然存在管狀結構比例低、管徑不均勻、較多結晶缺陷等情況，導致其石墨化程度低、碳納米管易發生彎曲和變形等缺點。以上原因致使化學氣相沉積法在工業應用方面受到一定的限制。

近年來眾多的科研工作者為解決以上問題也提出了許多新的策略。Kenji Hata等人的研究表明，水的存在可優化碳納米管的形貌并提高其純度(Water-Assisted HighlyEfficient Synthesis of Impurity-Free Single-Walled Carbon Nanotubes.Science,2004,306:1362-1364.)。該研究以乙烯為碳源，添加一定量的水，通過化學氣相沉積法，在不同催化劑的作用下成功地制備出高質量的單壁碳納米管。這證明在煅燒過程中加入少量的水可去除無定形碳，提高催化劑的活性和壽命，同時也有利于解決碳納米管在生長過程中遇到的前面所述的問題。由此可見，水輔助碳納米管生長方法適用于大規模生產碳納米管，同時可解決諸如擴展性、純度和成本等關鍵問題，這為碳納米管合成方法提供了一個新的方向。隨著碳納米管被廣泛用作催化劑材料及人們對更高效能源的進一步需求，研發更優質的碳納米管催化劑已成趨勢，現階段主要通過摻雜雜原子來提高碳納米管的質量品質。例如Hou等人以聚吡咯為氮源，乙炔為碳源，Fe₃O₄為鐵源，在低溫退火條件下，采用自催化CVD法制備了Fe₃C/N摻雜的碳納米管，通過實驗結果和理論計算證明雜原子摻雜的協同作用可提高碳納米管的儲鋰性能(A facile self-catalyzed CVD method to synthesizeFe₃C/N-doped carbon nanofibers as lithium storage anode with improved ratecapability and cyclability.Journal of Materials ScienceTechnology,2020,44:229–236.)。當今，如何簡便地將雜原子摻雜于碳納米管中和降低其生產成本，以實現碳納米管的工業級大規模生產已成為人們關注的另一焦點。

發明內容