新型炭管及其合成方法
2023-10-05 02:35:39 1
專利名稱：新型炭管及其合成方法
技術領域：
本發明屬於炭素材料技術領域，尤其涉及到溶劑熱法合成炭管的方法。
背景技術：
管狀炭材料中研究最多的是碳納米管。自1991年Iijima發現碳納米管以來，碳納米管已經受到廣泛關注。由於其具有獨特的熱、電、磁和機械性能，因此，碳納米管在許多方面有著潛在的應用，比如電化學裝置、納米鑷子、氣體儲存、場發射裝置、記憶裝置、熱導傳感器以及催化劑載體等。
目前製備碳納米管的比較成熟方法主要有催化熱分解法、電弧放電法、雷射燒蝕法、流動催化法、化學氣相沉積法等。但是，這些合成方法設備昂貴，技術含量高，操作複雜，因此，生產成本較高；且使用有毒或危險性較大的試劑如乙炔，金屬茂等被使用作為碳源，通常還要用氫氣促進納米管的石墨化，存在安全隱患。溶劑熱法由於反應條什相對溫和，而且容易控制產品形貌。已有關於用溶劑熱法是合成碳納米管的報導。中國科技大學錢逸泰課題組已經利用溶劑法用金屬鈷/鎳作催化劑，苯為溶劑，六氯代苯為碳源製得了碳納米管(J.Am，Chem.Soc.，2000，122(49)12383)。Shao等人利用Fe2(CO)9分解的Fe作為催化劑，五氧化磷和丙二酸在180℃反應生成的低級碳氧化物作為碳源，製得了多壁碳納米管(Carbon，2004，42(1)183-185)。這些合成方法大多使用有毒溶劑或昂貴的試劑，對環境不友好，且生產成本高。
有鑑於此，本發明提供一種丁藝流程簡單合成炭管的方法，且合成過程無毒，屬於綠色合成方法。
發明內容
本發明的目的是提供一種新型炭管及其合成方法，可獲得大小較均勻，尺寸可控、且含有豐富親水性官能團的炭管。
為達上述目的，室溫下其拉曼光譜的兩個強峰位置為1334.7cm-1和1594.3cm-1。(激發波長514.5nm)本發明的炭管的合成方法如下在密封反應釜中，使用含碳鏈有機物做碳源，以乙酸鹽做催化劑，碳源與催化劑用量比是10mL∶1g～50mL∶3g，進行程序升溫碳化，所得的產物進行純化乾燥後處理。
所述的碳源可以是無水乙醇、聚乙二醇600、乳化劑OP-10或乙酸鋅。
所述乙酸鹽包括乙酸鋅或乙酸鎂。
在程序升溫碳化過程中，以10℃/min升溫速率加熱到500℃～700℃，恆溫時間為10～48h。
所得的產物進行純化，依次用鹽酸(體積濃度為5％-15％)、蒸餾水、無水乙醇洗滌，然後在60℃真空乾燥。
本發明合成的炭管，合成的產率較高，可達90％以上；X-射線衍射和拉曼光譜證明，炭管中存在六方石墨結構，但用這種方法製備的炭管石墨化程度稍低。紅外光譜證明在3448cm-1處出現寬而強的吸收峰是O-H伸縮振動產生的，在2921和2856cm-1處的吸收峰是C-H伸縮振動產生的，1091cm-1的吸收峰代表C-O的伸縮振動。1633cm-1的吸收峰對應C＝O的伸縮振動。紅外光譜證明本發明製備的炭管含有大量的親水基團。
本發明的效果和益處如下1、合成工藝流程簡單，操作方便，所需設備要求不高，易於實現大規模工業化生產。
2、所需碳源廉價易得，生產成本較低。
3、用醇類或乙酸鹽做碳源時，整個反應無汙染環境的氣體或液體排除，屬綠色化學反應。
4、與現有合成方法相比，合成的產率較高，可達90％以上。
5、炭材料含有豐富的官能團，親水性較好。
6、由於炭管具有許多優異的性能，如熱、電、磁和機械性能，因此，碳納米管在許多方面有著潛在的應用，比如電化學儲氫、超級電容器、場發射裝置、熱導傳感器以及催化劑載體等。
圖1是用40mL乙醇和10mL聚乙二醇-600作碳源，3g醋酸鎂作為催化劑，600℃下經過24h合成的新型炭材料的掃描電鏡圖，炭材料呈花狀。圖2是用40mL乙醇和10mL聚乙二醇-600作碳源，3g醋酸鎂作為催化劑，500℃下經過48h合成的新型炭材料的掃描電鏡圖，炭材料呈稻草狀炭束。
圖3是用50mL乙醇和2g蔗糖作碳源，2g醋酸鎂作為催化劑，600℃下經過12h合成的新型炭材料的掃描電鏡圖，炭材料呈三明治狀。圖4是用40mL乙醇，5g醋酸鎂作為催化劑，600℃下經過10h合成的新型炭材料的掃描電鏡圖，新型炭材料呈簇狀。碳納米管的直徑為200～500nm，長度約為幾微米。
圖5a、圖5b是40mL乙醇作碳源，4g醋酸鋅作為催化劑，600℃下經過10h合成的新型炭材料的掃描電鏡圖和透射電鏡圖，新型炭材料呈直形炭微管。如圖5a所示，通過掃描電鏡觀察直形炭微管分散性好，直徑大小較為均勻，大約在200nm左右，碳棒的長度在2μm。通過透射電鏡觀察(圖5b)，這些直碳棒其實就是兩端密封的空心直碳管。
圖6a、圖6b是4g醋酸鋅作為催化劑碳源，600℃下經過20h合成的新型炭材料的掃描電鏡圖和透射電鏡圖，新型炭材料呈空心六面稜柱狀炭微棒。圖6a掃描電鏡圖，圖6b透射電鏡圖。
圖7是本發明合成新型炭材料X-射線衍射圖。圖中(002)和(101)的衍射峰表明產物中存在六方石墨結構。寬大的峰形也顯示六方形石墨的含量較低。圖8是本發明合成新型炭材料的拉曼光譜圖。在表徵炭材料方面，拉曼光譜是一種有力的手段。炭材料產品在室溫下直接記錄其拉曼光譜，氬離子雷射器的激發波長為514.5nm。圖中顯示的兩個強峰位置為1336.1cm-1和1592.9cm-1。位於1592.9cm-1的峰對應於石墨的E2g振動模式，它與二維六方晶格中SP2鍵碳原子的振動有關，這跟石墨層中的SP2鍵相似。位於1336.1cm-1的峰與二維平面邊緣具有懸鍵的無規則碳原子有關。位於2914.3cm-1的峰是石墨和無規則模兩者的結合。通常，可以通過IG峰的寬度和ID/IG的值來確定碳的石墨化程度。在本合成方法中ID/IG的值約為0.71，用這種方法製備的新型炭材料石墨化程度稍低。
具體實施例方式
實施例一用4g Zn(CH3COO)2·2H2O作催化劑，無水乙醇40mL做碳源，放入60mL不鏽鋼高壓釜中，以10℃/min的升溫速率加熱到600℃，保溫15h，然後自然冷卻至室溫。產物從高壓釜中收集後，依次用濃度為5％-15％的鹽酸、蒸餾水、無水乙醇進行洗滌，最後所得黑色產物在60℃的真空乾燥器中乾燥6小時。用透射電子顯微鏡(TEM)、掃描電子顯微鏡(SEM)、X射線衍射(XRD)對得到的產物進行表徵分析，證實所製得的產物為純度很高的炭管，其形貌為直形炭微管，其含量約為95％以上。
發明人選用不同的原料及操作條件(其餘操作條件同實施例一)，進行了多個實施例，見下表
權利要求
1.一種新型炭管，其特徵在於在室溫下其拉曼光譜的兩個強峰位置為1334.7cm-1和1594.3cm-1。
2.一種新型炭管的合成方法，其特徵是在密封不鏽鋼反應釜中，使用無毒的有機物做碳源，以乙酸鹽做催化劑，碳源與催化劑用量比是10mL∶1g～50mL∶3g，進行程序升溫碳化，所得的產物進行純化乾燥後處理。
3.如權利要求2所述的合成方法，其特徵是所述無毒的有機碳源是無水乙醇、聚乙二醇600、乳化劑OP-10或乙酸鋅中的至少一種。
4.如權利要求2所述的合成方法，其特徵是所述的乙酸鹽催化劑是乙酸鋅或乙酸鎂。
5.如權利要求2所述的合成方法，其特徵是在程序升溫碳化過程中，以10℃/min升溫速率加熱到500℃～700℃，恆溫時間為10～48h。
6.如權利要求2所述的合成方法，其特徵是在純化過程中，依次用濃度為5％-15％的鹽酸、蒸餾水、無水乙醇洗滌，然後在60℃真空乾燥。
7.如權利要求2所述的合成方法，其特徵是用Zn(CH3COO)2·2H2O作催化劑，無水乙醇做碳源，兩者用量比為1g∶10mL，在600℃下恆溫15h，合成得到直形炭管，其直徑約為200nm，長度約為2-4μm。
8.如權利要求2所述的合成方法，其特徵是無水乙醇做碳源，乙酸鎂作為催化劑，兩者用量比為1g∶8mL，600℃下經過10h合成的簇狀炭管，炭管的直徑為200～500nm，長度為1～10μm。
9.如權利要求2所述的合成方法，其特徵是乙酸鋅作為催化劑和碳源，600℃下經過20h合成的炭管，炭管呈空心六面稜柱狀。
10.如權利要求2～9中任一項所述的合成方法所得的炭管。
全文摘要
本發明公開了一種炭管的合成方法如下在密封反應釜中，使用含碳鏈有機物做碳源，以乙酸鹽做催化劑，碳源與催化劑用量比是10mL∶1g～50mL∶3g，進行程序升溫碳化，所得的產物進行純化乾燥後處理。本發明可獲得大小較均勻，尺寸可控、且含有豐富親水性官能團的炭管。
文檔編號C01B31/00GK1986397SQ20061003709
公開日2007年6月27日 申請日期2006年8月17日 優先權日2006年8月17日
發明者袁定勝, 劉應亮, 肖勇, 程立強, 張靜嫻, 徐常威 申請人:暨南大學