鎳納米顆粒功能化碳納米管的製備方法和裝置的製作方法
2023-10-08 06:14:39 1
專利名稱：鎳納米顆粒功能化碳納米管的製備方法和裝置的製作方法
技術領域：
本申請涉及一種鎳(Ni)納米顆粒功能化碳納米管的製備方法和裝置。
背景技術：
由於碳納米管具有獨特的電學性能、大的比表面積、高的機械強度、好的熱穩定性和化學穩定性，使其在諸如作為透明導電電極、作為催化劑載體和柔性透明電子器件等領域有著潛在的應用。純的本徵碳納米管的直徑、管壁數目、捲曲方向、手性、納米管的表面缺陷等因素對碳納米管的物理和化學性能有重要影響，例如，多壁或少壁碳納米管相對單壁碳納米管具有較差的透光率；單壁碳納米管根據捲曲方向和直徑的不同可分別具有金屬性和半導體性；碳納米管的表面缺陷對其電導率有重要作用。近年來，研究者發現，採用不同材料對碳納米管進行功能化修飾可豐富碳納米管的性能，並進一步拓寬其應用領域。例如，通過雜原子參雜、聚合物複合、及貴金屬和金屬氧化物複合功能化後，能夠顯著地提高其作為傳感器敏感材料對待測氣體分子的靈敏度、選擇性、響應速度等氣敏性能。目前為止，人們已經採用化學氣相沉積法(CVD)、水熱法、溶劑熱法、電化學法、無電沉積法等方法實現了對碳納米管的功能化。然而，在這些方法中，CVD法需要較高的反應溫度，且所得產物產率較低；水熱法則需要高壓的反應環境；電化學法只能實現對電極薄膜材料的功能化而不能形成大批量的功能化溶液；無電沉積法則受碳管本徵電極電勢的影響只能實現極少部分金屬納米粒子的功能化過程。
發明內容
有鑑於此，本發明的目的在於提供一種鎳納米顆粒功能化碳納米管的製備方法和裝置，利用該裝置和方法產量高。為實現上述目的，本發明提供如下技術方案
一種鎳納米顆粒功能化碳納米管的製備方法，在(Tioo°c的溫度條件下，將陰極和由待功能化的Ni組成的陽極一起插入含有一定濃度的碳納米管分散液的電解液中，並在陰極和陽極上加載(T220V的工作電壓，同時伴以攪拌，反應一段時間後，電解液中的碳納米管會被陽極上的Ni以納米粒子的形式功能化，從而獲得由金屬納米顆粒功能化的碳納米管溶液。在上述的鎳納米顆粒功能化碳納米管的製備方法中，所述碳納米管分散液的濃度為 O. 0035-0. 035mg/ml。優選的，所述碳納米管分散液中的碳納米管為單壁碳納米管、少壁碳納米管和多壁碳納米管中的任意一種或多種的組合。在上述的鎳納米顆粒功能化碳納米管的製備方法中，所述電解液中還含有表面活性劑。
優選的，所述表面活性劑選自十二烷基苯磺酸鈉、十二烷基硫酸鈉中的任意一種或兩種的組合。
優選的,所述表面活性劑的濃度為l-10mg/ml。在上述的鎳納米顆粒功能化碳納米管的製備方法中，所述電解液中還含有NH4Cl溶液。優選的，所述NH4Cl溶液的濃度為O. 01-0. 4mmol/ml。在上述的鎳納米顆粒功能化碳納米管的製備方法中，所述的反應時間為5 90min。本申請還公開了一種用以製備上述鎳納米顆粒功能化碳納米管的裝置，所述裝置包括用以容納電解液的電解槽以及位於所述電解槽內且相對設置的陰極和陽極，所述陰極和陽極之間電性連接有電源。優選的，所述陰極和陽極之間的距離為l-4cm。與現有技術相比，本發明的優點在於可以實現大批量的製備，產量高，且反應溫度為室溫，小於100°C均可。
為了更清楚地說明本申請實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本申請中記載的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。圖1所示為本發明具體實施例中金屬納米顆粒功能化碳納米管的製備裝置；
圖2所示為本發明第一實施例中製備的Ni納米顆粒功能化單壁碳納米管的SEM照片；圖3所示為本發明第二實施例中製備的Cu納米顆粒功能化單壁碳納米管的SEM照片(左)和EDS圖譜(右)；
圖4所示為本發明第三實施例中通過改變反應時間以調控所製備的Cu納米顆粒功能化單壁碳納米管的尺寸和分布的示意圖。
具體實施例方式本發明實施例公開了一種鎳納米顆粒功能化碳納米管的製備方法，在(Γ ΟΟ 的溫度條件下，將陰極和由待功能化的金屬組成的陽極一起插入含有一定濃度的碳納米管分散液的電解液中，並在陰極和陽極上加載(T220V的工作電壓，同時伴以攪拌，反應一段時間後，電解液中的碳納米管會被陽極上的金屬以納米粒子的形式功能化，從而獲得由金屬納米顆粒功能化的碳納米管溶液。本發明實施例還公開了一種用以製備上述鎳納米顆粒功能化碳納米管的裝置，所述裝置包括用以容納電解液的電解槽以及位於所述電解槽內且相對設置的陰極和陽極，所述陰極和陽極之間電性連接有電源。利用上述的製備方法和裝置，可以實現大批量的製備，產量高，且反應溫度為室溫，小於100°C均可。所述的待功能化的金屬組成的陽極可以是N1、Cu、Fe、Sn等金屬。如圖1所示，陽極金屬以Ni為例，在外界電場的作用下，陽極金屬Ni將得到電子形成Ni離子，並與溶液中的NH3分子形成絡合物Ni [ (NH3)6J2+,隨後，Ni離子絡合物將在溶液中的碳納米管缺陷部位吸附，當碳納米管與陰極電極形成迴路時，Ni離子絡合物將得到電子而生成Ni單質,在缺陷部位成核並生長為金屬Ni納米顆粒。隨著反應時間的增加,金屬納米顆粒將逐漸長大，並最終包裹於碳納米管表面。下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行詳細的描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。圖1所示為本發明具體實施例中金屬納米顆粒功能化碳納米管的製備裝置。參圖1所示，金屬納米顆粒功能化碳納米管的裝置包括用以容納電解液的電解槽I以及位於所述電解槽內且相對設置的陰極2和陽極3，陰極2和陽極3之間電性連接有電源。陽極3為待功能化的金屬，該金屬包括N1、Cu、Fe、Sn等。陰極2和陽極3之間的距離優選為4cm。陰極2和陽極3之間的距離也可以在f 4cm之間任意選擇。實施例1
Ni納米顆粒功能化單壁碳納米管的製備。採用圖1中所述的裝置，其中陽極為Ni ;電解液組分為一定濃度的碳納米管溶液(0. 035mg/ml)、表面活性劑(5mg/ml，十二烷基苯磺酸鈉)和0. 4mmol/ml的NH4Cl溶液組成的混合溶液100ml。在25°C的溫度條件下，將陰極和由待功能化的Ni組成的陽極一起插入含有一定濃度的碳納米管分散液的電解液中，並在陰極和陽極上加載3. 2 V的工作電壓，同時伴以攪拌(25rpm)。反應30 min後，電解液中的碳納米管將會被陽極上的Ni以納米粒子的形式功能化，從而獲得由金屬納米顆 粒功能化的碳納米管溶液。圖2所示為第一實施例中製備的Ni納米顆粒功能化單壁碳納米管的SEM照片，由圖2中可以明顯的看出Ni納米顆粒已被均一的生長於碳納米管表面。實施例2
Cu納米顆粒功能化單壁碳納米管的製備。採用圖1中所述的裝置，其中陽極為Cu ;電解液組分為一定濃度的碳納米管溶液(0. 035mg/ml)、表面活性劑(5mg/ml，十二烷基苯磺酸鈉)和0. 4mmol/ml的NH4Cl溶液組成的混合溶液IOOml ；
在25°C的溫度條件下，將陰極和由待功能化的Cu組成的陽極一起插入含有一定濃度的碳納米管分散液的電解液中，並在陰極和陽極上加載3. 2 V的工作電壓，同時伴以攪拌(25rpm)0反應60 min後，電解液中的碳納米管將會被陽極上的Cu以納米粒子的形式功能化，從而獲得由金屬納米顆粒功能化的碳納米管溶液。圖3所示為第二實施例中製備的Cu納米顆粒功能化單壁碳納米管的SEM照片(左)和EDS圖譜(右)。由圖3中的SEM照片可以看出有納米顆粒均一的生長於碳納米管之上，對應的EDS圖譜說明所製備納米顆粒中有Cu元素的存在。實施例3
改變第二實施例中的反應時間，可以調控所製備的Cu納米顆粒功能化單壁碳納米管的尺寸和分布，當分別反應IOmin, 30min, 60min和90min之後，所的樣品的SEM照片如圖4所示由圖4可以看出，隨著反應時間的增加，碳納米管上的納米顆粒尺寸和數量逐漸增力口，最終將形成Cu薄膜包裹於碳納米管表面。
實施例4
Cu納米顆粒功能化單壁碳納米管的製備。採用圖1中所述的裝置，其中陽極為Cu ;電解液組分為一定濃度的碳納米管溶液(0. 0035mg/ml)、表面活性劑(10mg/ml，十二烷基苯磺酸鈉)和0. Olmmo I/ml的NH4Cl溶液組成的混合溶液IOOml ；
在80°C的溫度條件下，將陰極和由待功能化的Cu組成的陽極一起插入含有一定濃度的碳納米管分散液的電解液中，並在陰極和陽極上加載IlOV的工作電壓，同時伴以攪拌(25rpm)0反應5 min後，電解液中的碳納米管將會被陽極上的Cu以納米粒子的形式功能化，從而獲得由金屬納米顆粒功能化的碳納米管溶液。實施例5
Fe納米顆粒功能化單壁碳納米管的製備。採用圖1中所述的裝置，其中陽極為Fe ;電解液組分為一定濃度的碳納米管溶液(0. 025mg/ml)、表面活性劑(lmg/ml，十二烷基苯磺酸鈉)和0. 2mmol/ml的NH4Cl溶液組成的混合溶液IOOml ；
在5°C的溫度條件下，將陰極和由待功能化的Fe組成的陽極一起插入含有一定濃度的碳納米管分散液的電解液中，並在陰極和陽極上加載IlOV的工作電壓，同時伴以攪拌(25rpm)0反應90 min後，電解液中的碳納米管將會被陽極上的Fe以納米粒子的形式功能化，從而獲得由金屬納米顆粒功能化的碳納米管溶液。需要說明的是，在本文中，諸如第一和第二等之類的關係術語僅僅用來將一個實體或者操作與另一個實體或操作區分開來，而不一定要求或者暗示這些實體或操作之間存在任何這種實際的關係或者順序。而且，術語「包括」、「包含」或者其任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含，從而使得包`括一系列要素的過程、方法、物品或者設備不僅包括那些要素，而且還包括沒有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過程、方法、物品或者設備所固有的要素。在沒有更多限制的情況下，由語句「包括一個……」限定的要素，並不排除在包括所述要素的過程、方法、物品或者設備中還存在另外的相同要素。以上所述僅是本申請的具體實施方式
，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本申請原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本申請的保護範圍。
權利要求
1.一種鎳納米顆粒功能化碳納米管的製備方法，其特徵在於在(Tkktc的溫度條件下，將陰極和由待功能化的Ni組成的陽極一起插入含有一定濃度的碳納米管分散液的電解液中，並在陰極和陽極上加載(T220V的工作電壓，同時伴以攪拌，反應一段時間後，電解液中的碳納米管會被陽極上的Ni以納米粒子的形式功能化，從而獲得由金屬納米顆粒功能化的碳納米管溶液。
2.根據權利要求1所述的鎳納米顆粒功能化碳納米管的製備方法，其特徵在於所述碳納米管分散液的濃度為O. 0035-0. 035mg/ml。
3.根據權利要求1或2所述的鎳納米顆粒功能化碳納米管的製備方法，其特徵在於 所述碳納米管分散液中的碳納米管為單壁碳納米管、少壁碳納米管和多壁碳納米管中的任意一種或多種的組合。
4.根據權利要求1至3任一所述的鎳納米顆粒功能化碳納米管的製備方法，其特徵在於所述電解液中還含有表面活性劑。
5.根據權利要求4所述的鎳納米顆粒功能化碳納米管的製備方法，其特徵在於所述表面活性劑選自十_■燒基苯橫酸納、十_■燒基硫酸納中的任意一種或兩種的組合。
6.根據權利要求4或5所述的鎳納米顆粒功能化碳納米管的製備方法，其特徵在於 所述表面活性劑的濃度為l-10mg/ml。
7.根據權利要求1至6任一所述的鎳納米顆粒功能化碳納米管的製備方法，其特徵在於所述電解液中還含有NH4Cl溶液。
8.根據權利要求7所述的鎳納米顆粒功能化碳納米管的製備方法，其特徵在於所述 NH4Cl 溶液的濃度為 O. 01-0. 4mmol/ml。
9.根據權利要求1至8任一所述的鎳納米顆粒功能化碳納米管的製備方法，其特徵在於所述的反應時間為5 90min。
10.用以製備權利要求1至9任一所述的鎳納米顆粒功能化碳納米管的裝置，其特徵在於所述裝置包括用以容納電解液的電解槽以及位於所述電解槽內且相對設置的陰極和陽極，所述陰極和陽極之間電性連接有電源。
11.根據權利要求10所述的裝置，其特徵在於所述陰極和陽極之間的距離為l-4cm。
全文摘要
鎳納米顆粒功能化碳納米管的製備方法和裝置。本申請公開了一種鎳納米顆粒功能化碳納米管的製備方法，具體為在0~100℃的溫度條件下，將陰極和由待功能化的金屬組成的陽極一起插入含有一定濃度的碳納米管分散液的電解液中，並在陰極和陽極上加載0~220V的工作電壓，同時伴以攪拌，反應一段時間後，電解液中的碳納米管會被陽極上的金屬以納米粒子的形式功能化，從而獲得由金屬納米顆粒功能化的碳納米管溶液。本申請的碳納米管可以實現大批量的製備，產量高，且反應溫度為室溫，小於100℃均可。
文檔編號B82Y30/00GK103043642SQ20131001654
公開日2013年4月17日 申請日期2013年1月17日 優先權日2013年1月17日
發明者張珽, 陳紹樞, 王學文, 劉冬薇, 李光輝, 劉瑞, 熊作平 申請人:中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所