一種樹狀碳納米管的製備方法
2023-06-20 01:13:11 1
專利名稱：一種樹狀碳納米管的製備方法
技術領域：
本發明涉及一種納米材料的製備方法，尤其涉及一種樹狀碳納米管的製備方法。
發明內容
本發明涉及一種新型結構的碳納米管——樹狀碳納米管及其製備方法。採用一定的催化劑和工藝方法，無須任何模板，直接生長出具有二維結或三維結的樹狀碳納米管。這種具有新奇結構的碳納米管可以用於以碳管為基礎的納米電路。
本發明提供的一種樹狀碳納米管均是由主幹及從主幹出發多重分叉的分支組成，管直徑為10～100納米，長度為1～300微米。該納米碳管具有二維的結或三維的結。
本發明用於製備樹狀碳納米管的裝置採用常規反應設備，主要由反應器，配氣系統，控溫系統組成(1)反應器由石英管和管式電爐組成；(2)配氣系統是由氣路和氣體質量流量計組成，可以控制載氣的種類、流量、比例；(3)控溫系統是由程序控溫儀組成。
本發明提供的一種樹狀碳納米管的製備方法，依如下順序步驟進行a.催化劑的製備將鈷鹽溶於醇中，將催化劑載體氧化鎂浸入上述鈷鹽的醇溶液中，超聲分散，一般0.5～2小時即可，使氧化鎂粉末在醇溶液中分散均勻。然後蒸發(可以採用旋轉蒸發儀等)除去溶劑得到淺蘭色的塊狀固體物。將該塊狀固體物乾燥後得到白色塊狀固體物，乾燥條件優選溫度為100℃～200℃；時間為5～20小時。最後碾成80～150目的粉末以供使用，其中催化劑的含量以單質鈷的重量計在1％～6％。
所述鈷鹽為硝酸鈷、硫酸鈷、乙酸鈷；所述醇為乙醇、甲醇等。
所述鈷鹽與醇的重量比優選為1∶50～200，最優為1∶100～150；鈷元素與氧化鎂的重量比優選為1～6∶100，最優為1～3∶100。
b.樹狀碳納米管的製備將裝有催化劑的石英舟置於石英管中，通入氫氣直至趕淨反應系統中的空氣。接著升溫至850℃～1100℃。然後通入甲烷氣體進行反應後，切斷甲烷氣體和電源，但繼續通氫氣，使產物在氫氣氛中冷卻。最後採用常規方法酸化，洗滌，真空乾燥得到樹狀碳納米管產品。
進一步講，可採用以下具體方案將裝有催化劑的石英舟置於石英管的中部，催化劑的體積為石英舟容量的1/5～4/5。通入流量為每分鐘20～150毫升的氫氣直至趕淨反應系統中的空氣。接著在5～15分鐘內升溫至850℃～1100℃。然後改變氫氣的流量，並且通入甲烷氣體，氫氣/甲烷的體積比在2～8∶1，優選為3～5∶1，氫氣/甲烷的體積最佳比為4∶1，總氣體流量為每分鐘100～600毫升，優選為200～400毫升。維持反應1～20分鐘後，切斷甲烷氣體和電源，但繼續通氫氣，使產物在氫氣氛中冷卻。最後採用常規方法用濃鹽酸酸化，洗滌，真空乾燥得到樹狀碳納米管產品。
本發明提供的一種樹狀碳納米管的特徵和優點1.本發明提供的樹狀碳納米管是由主幹及許多分支組成，這些分支來源於主幹，重複產生分叉。
2.本發明提供的樹狀碳納米管既含有二維的結又含有三維的結。
3.本發明提供的樹狀碳納米管的管直徑分布均勻，一般在10～100納米，長度為1～300微米。
4.本發明提供的樹狀碳納米管的結構新奇獨特，具有特殊的電學和力學性質，是一種構築納米器件理想的材料。
5.本發明方法製備樹狀碳納米管，操作容易，工藝簡單，成本低廉，宜於工業化生產。
實施例1將0.356克六水硝酸鈷溶於50ml無水乙醇中，再加入5克氧化鎂粉末。混合物超聲1小時使溶液混合均勻。然後通過旋轉蒸發儀除去溶劑，緊接著在130℃下乾燥13小時以獲得完全乾燥的催化劑。將該乾燥後的固體混合物碾成較細的粉末。這樣得到含鈷元素重量百分比為1.25％的催化劑。如圖裝置(管式爐由北京電爐廠生產，型號為SK2-4-13)所示，將一裝有2克上述催化劑的石英舟(5毫升)置於石英管中部，連接好配氣系統，以每分鐘300毫升的流量通入氫氣，設置溫度為1000℃，迅速將溫度升至1000℃(12分鐘內)，以每分鐘75毫升的流量通入甲烷氣體，反應10分鐘後，切斷甲烷氣源及電源，繼續通氫氣使產品在氫氣分中冷卻。將冷卻的粗產品用50毫升的濃鹽酸處理以除去氧化鎂及金屬鈷，再用蒸餾水洗滌直至中性，隨後在70℃下真空乾燥。碳納米管的形貌、長度、直徑大小及純度分別用掃描電子顯微鏡照片(圖2，圖3)測得。從圖2可以知道所得的產品中，包括Y形、T形、H形等具有二維結的各種形狀單分叉的碳納米管，還有大量的產品呈現出樹狀，這些樹狀的碳納米管既含有二維的結又含有三維的結。圖3所示是典型的樹狀的碳納米管，該樹狀碳納米管直徑為38納米。實施例2按照實施例1的製備方法，只是將六水硝酸鈷的質量換為0.712克獲得2.5％的催化劑，採用該催化劑製得含樹狀碳納米管為80％的產品。實施例3按照實施例2的製備方法，只是將混合總的氣體流量調節為每分鐘300毫升，氫氣和甲烷的體積比調節為4∶1，製得的直徑為52納米的樹狀碳納米管且其含量達75％。實施例4按照實施例1的製備方法，只是將0.356克六水硝酸鈷換為0.251克七水硫酸鈷獲得1.25％的催化劑，採用該催化劑製得的直徑為43納米的樹狀碳納米管且其含量達70％。實施例5按照實施例1的製備方法，只是將0.356克六水硝酸鈷換為0.305克四水乙酸鈷獲得1.25％的催化劑，採用該催化劑製得的直徑為45納米的樹狀碳納米管且其含量達70％。實施例6按照實施例1的製備方法，只是將乙醇換為甲醇製得的直徑為39納米的樹狀碳納米管且其含量達80％。實施例7按照實施例4的製備方法，只是將乙醇換為甲醇製得的直徑為45納米的樹狀碳納米管且其含量達75％。實施例8按照實施例5的製備方法，只是將乙醇換為甲醇製得的直徑為45納米的樹狀碳納米管且其含量達70％。
權利要求
1.一種樹狀碳納米管的製備方法，依如下順序步驟進行a.催化劑的製備將鈷鹽溶於醇中，將催化劑載體氧化鎂浸入上述鈷鹽的醇溶液中，超聲分散，然後蒸發除去溶劑得到淺蘭色的塊狀固體物，將該塊狀固體物乾燥後得到白色塊狀固體物，碾成80～150目的粉末以供使用；其中催化劑的含量以單質鈷的重量計在1％～6％；b.樹狀碳納米管的製備將裝有催化劑的石英舟置於石英管中，通入氫氣直至趕淨反應系統中的空氣，接著升溫至850℃～1100℃。然後通入甲烷氣體進行反應後，切斷甲烷氣體和電源，但繼續通氫氣，使產物在氫氣氛中冷卻，最後採用常規方法酸化，洗滌，真空乾燥得到樹狀碳納米管產品。
2.根據權利要求1的製備方法，其特徵在於所述鈷鹽與醇的重量比為1∶50～200；鈷元素與氧化鎂的重量比為1～6∶100。
3.根據權利要求1的製備方法，其特徵在於所述鈷鹽與醇的重量比為1∶100～150；鈷元素與氧化鎂的重量比為1～3∶100。
4.根據權利要求1至3任一的製備方法，其特徵在於所述鈷鹽為硝酸鈷、硫酸鈷、乙酸鈷；所述醇為乙醇、甲醇。
5.根據權利要求1至3任一的製備方法，其特徵在於步驟b樹狀碳納米管的製備過程如下將裝有催化劑的石英舟置於石英管的中部，催化劑的體積為石英舟容量的1/5～4/5。通入流量為每分鐘20～150毫升的氫氣直至趕淨反應系統中的空氣，然後改變氫氣的流量，並且通入甲烷氣體，氫氣/甲烷的體積比在2～8∶1，總氣體流量為每分鐘100～600毫升，維持反應1～20分鐘後，切斷甲烷氣體和電源，但繼續通氫氣，使產物在氫氣氛中冷卻，最後採用常規方法用濃鹽酸酸化，洗滌，真空乾燥得到樹狀碳納米管產品。
6.根據權利要求5的製備方法，其特徵在於所述氫氣/甲烷的體積比為3～5∶1。
7.根據權利要求5的製備方法，其特徵在於所述氫氣/甲烷的體積比為4∶1。
8.根據權利要求5的製備方法，其特徵在於所述總氣體流量為每分鐘200～400毫升。
全文摘要
本發明公開了一種樹狀碳納米管的製備方法，依如下順序步驟進行a.催化劑的製備將鈷鹽溶於醇中，將催化劑載體氧化鎂浸入上述鈷鹽的醇溶液中，超聲分散，使氧化鎂粉末在醇溶液中分散均勻。然後蒸發、乾燥後碾成80～150目的粉末。b.樹狀碳納米管的製備將裝有催化劑的石英舟置於石英管中，通入氫氣直至趕淨反應系統中的空氣；接著升溫至850℃～1100℃。然後通入甲烷氣體進行反應後，在氫氣氛中冷卻；最後採用常規方法酸化，洗滌，真空乾燥即可。本發明操作容易，工藝簡單，成本低廉，宜於工業化生產，所製備的樹狀碳納米管具有特殊的電學和力學性質，是一種構築納米器件理想的材料。
文檔編號C01B31/00GK1463920SQ02122640
公開日2003年12月31日 申請日期2002年6月18日 優先權日2002年6月18日
發明者劉雲圻, 胡平安, 王賢保, 王彪, 朱道本 申請人:中國科學院化學研究所