CN102169102B - 纳米碳材料电泳沉积液浓度监测和分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种纳米碳材料电泳沉积液浓度监测和分析方法，该方法以电导率法和红外光谱法为分析手段，利用纳米碳材料电泳沉积液的电导率随离子载体浓度的变化规律和纳米碳材料电泳沉积液的吸光度随纳米碳材料浓度的变化规律，实现实时监测和定量分析纳米碳材料电泳沉积液中离子载体和纳米碳材料的浓度变化。本发明的纳米碳材料电泳沉积液浓度监测和分析的方法，具有操作简便、可靠性高、在线监测、成本低、时间简短的优点，能够监测和分析纳米碳材料电泳沉积液的离子载体浓度和纳米碳材料浓度。

Description

纳米碳材料电泳沉积液浓度监测和分析方法

技术领域

本发明属于纳米碳材料领域，更具体涉及一种纳米碳材料电泳沉积液浓度监测和分析方法。 

背景技术

 纳米碳材料是20世纪80年代末、90年代初才逐步发展起来的一类新型材料。这一概念形成后，引起世人的密切关注，它所具有的独特性质如奇异的力学电学性质、良好的化学活性、高的机械强度等特性，使其在平板显示器、光源、微波放大器、毫米波器件等电子和光电子器件领域有着广泛的应用。纳米碳材料如碳纳米管、石墨烯、纳米碳纤维及富勒烯，由于其尖端纳米级的曲率半径以及较低的功函数，被认为是场发射冷阴极的理想材料。目前，纳米碳材料场发射阴极的制备方法主要有直接生长法、丝网印刷法和电泳沉积法等。直接生长法需要较高的生长温度(大约600～1000℃)，限制了玻璃等衬底材料的应用；同时所生长的纳米碳材料含有不易去除的杂质，影响纳米碳材料阴极的场致发射性能。丝网印刷方法避免了高温生长的问题，但会引入有机添加剂，一定程度上影响纳米碳材料的场发射性能，需要一定的后续处理才能提高其场发射性能。电泳沉积法工艺简单、成本低廉、制备周期短、厚度分布均匀，能够实现低温条件下纳米碳材料场发射阴极大面积的均匀生长。

通常情况下，在电泳沉积纳米碳材料的过程中，纳米碳材料电泳沉积液中的离子载体和纳米碳材料存在一个较佳的浓度范围，离子载体在溶液中电离出的离子附着于纳米碳材料粉体上，离子受到电场作用将纳米碳材料沉积在电极表面，形成一层纳米碳材料薄膜。但是随着电泳时间的延长，纳米碳材料电泳沉积液的离子载体浓度和纳米碳材料浓度逐渐降低，导致电泳沉积过程中工作电压和工作电流的变化，使得所制备的纳米碳材料薄膜质量下降。因此为了提高电泳沉积法制备的纳米碳材料薄膜的质量，有必要调整电泳沉积工艺参数或更换电泳沉积液或适时补充溶质，其中电泳沉积工艺参数的调整是通过提高电泳电压或提高电泳电流或增加电泳时间实现的。但是无论是哪一种调整方法都会存在问题，如提高电压或电流或增加电泳时间，会引起电泳沉积液溶剂电解或燃烧或所制备的纳米碳材料薄膜均匀性较差；如适时补充溶质或更换电泳沉积液，需要一种能够判断纳米碳材料电泳沉积液溶质浓度的机制。

2003年10月29日公开的中国发明专利申请号为03116185.5说明一种半定量表征碳纳米管悬浮液稳定性的方法。该专利每隔0.5小时吸取上层清夜稀释10倍再进行测定，但正由于稀释倍数过高，瞬间大幅度地改变溶液碳纳米管之间密度，导致悬浮液中碳纳米管之间的作用力变化很大，因此对对悬浮液中碳纳米管分散性产生影响。而2007年9月12日公开的中国发明专利申请号为200610056306.6依据电泳过程中电压或电流变化与溶液中辅助盐类的浓度成正比的特性，建立电流与时间的回归函数，预测和调整电泳液浓度。但由于其回归分析，分析过程较为繁琐，另外需先得知碳纳米管和硝酸镁的重量比例，因此未能对碳纳米管和硝酸镁的浓度进行实时预测和调整。 

发明内容

 为了克服以上问题，本发明提供了一种纳米碳材料电泳沉积液浓度监测和分析方法。该方法以电导率法和红外光谱法为分析手段，利用纳米碳材料电泳沉积液的电导率随离子载体浓度的变化规律和纳米碳材料电泳沉积液的吸光度随纳米碳材料浓度的变化规律，实时监测和定量分析纳米碳材料电泳沉积液中离子载体和纳米碳材料的浓度变化。

本发明是通过如下技术方案实施的：

一种纳米碳材料电泳沉积液浓度的监测和分析方法，其中对所述电泳沉积液中两种组分的浓度进行监测和分析，所述方法为：

1）将离子载体加入到溶解有纳米碳材料的溶剂中，测量纳米碳材料电泳沉积液的电导率，制作离子载体浓度对电导率的标准曲线方程，根据标准曲线方程和待测电泳沉积液的电导率计算待测样的离子载体浓度。

2）将离子载体加入到溶解有纳米碳材料的溶剂中，采用红外光谱测量纳米碳材料电泳沉积液的吸光度，制作纳米碳材料浓度对吸光度的标准曲线方程，根据标准曲线方程和待测电泳沉积液的吸光度计算待测样的纳米碳材料浓度。

所述纳米碳材料为一维纳米碳材料。

所述纳米碳材料为碳纳米管、石墨烯、纳米碳纤维、富勒烯、钠米多孔碳的任意一种或几种。

所述步骤1）和步骤2）中的离子载体为硝酸镁、硝酸铝、硝酸铟、硝酸锌、硝酸银、硝酸镧、氯化镁、氯化铝、氯化铟中的任意一种或几种。

所述步骤1）和步骤2）中的溶解有纳米碳材料的溶剂，溶剂为水或有机溶剂。

所述的有机溶剂为乙醇、异丙醇、乙二醇、丙醇、丁醇中的任意一种或几种。

所述步骤1）的标准曲线方程中离子载体的浓度为0～5g/L。

所述步骤2）的标准曲线方程中纳米碳材料浓度0～0.35g/L。

所述步骤2）中红外光谱的特征吸收波数为1605~1630cm^-1。

本发明的优点在于：本发明具有操作简便、可靠性高、在线监测、成本低、时间简短的优点，能够实时监测和定量分析纳米碳材料电泳沉积液的离子载体浓度和纳米碳材料浓度。

附图说明

图1为本发明实施例纳米碳材料电泳沉积液电导率法的测试曲线，其中横坐标为离子载体浓度（g/L），纵坐标为电导率（us/cm）。

图2为本发明实施例纳米碳材料电泳沉积液红外光谱法的测试曲线，其中横坐标为纳米碳材料浓度（g/L），纵坐标为吸光度。

具体实施方式

本发明以电导率法和红外光谱法为分析手段，利用纳米碳材料电泳沉积液的电导率随离子载体浓度的变化规律和纳米碳材料电泳沉积液的吸光度随纳米碳材料浓度的变化规律，定量分析和实时监测纳米碳材料电泳沉积液中离子载体和纳米碳材料的浓度变化，进而根据其变化情况测制离子载体和纳米碳材料的浓度。

所述方法为：

1）将离子载体加入到溶解有纳米碳材料的溶剂中，测量纳米碳材料电泳沉积液的电导率，制作离子载体浓度对电导率的标准曲线方程，根据标准曲线方程和待测电泳沉积液的电导率计算待测样的离子载体浓度。

2）将离子载体加入到溶解有纳米碳材料的溶剂中，采用红外光谱测量纳米碳材料电泳沉积液的吸光度，制作纳米碳材料浓度对吸光度的标准曲线方程，根据标准曲线方程和待测电泳沉积液的吸光度计算待测样的纳米碳材料浓度。

所述纳米碳材料为一维纳米碳材料。

所述纳米碳材料为碳纳米管、石墨烯、纳米碳纤维、富勒烯、钠米多孔碳的任意一种或几种。

所述步骤1）和步骤2）中的离子载体为硝酸镁、硝酸铝、硝酸铟、硝酸锌、硝酸银、硝酸镧、氯化镁、氯化铝、氯化铟中的任意一种或几种。

所述步骤1）和步骤2）中的溶解有纳米碳材料的溶剂，溶剂为水或有机溶剂。

所述的有机溶剂为乙醇、异丙醇、乙二醇、丙醇、丁醇中的任意一种或几种。

所述步骤1）的标准曲线方程中离子载体的浓度为0～5g/L。

所述步骤2）的标准曲线方程中纳米碳材料浓度0～0.35g/L。

所述步骤2）中红外光谱的特征吸收波数为1605~1630cm^-1。

根据步骤1）、2）中所得到的待测电泳沉积液和具体操作过程中得到的最佳电泳沉积液中离子载体的浓度差和纳米碳材料的浓度差，给予相应的补充量或更换电泳沉积液，实现监测和分析的目的。

实施例1

第一，所述电导率法分析纳米碳材料电泳沉积液的离子载体浓度与其相应的电导率的关系；所述电导率法中的离子载体硝酸镁浓度范围为0～5g/L，优选的，本实施例电导率法中的离子载体硝酸镁浓度范围为0.025～2.5g/L。

请参阅图1，本实施例电导率法中，将定量的硝酸镁加入一定碳纳米管浓度的碳纳米管电泳沉积液，超声分散，再用电导率仪测量室温下碳纳米管电泳沉积液的电导率值，之后重复以上的工作直到碳纳米管电泳沉积液的硝酸镁浓度为2.5g/L，其中碳纳米管电泳沉积液碳纳米管浓度保持不变，从而确定碳纳米管电泳沉积液不同离子载体硝酸镁浓度所对应的电导率值。将碳纳米管电泳沉积液的离子载体硝酸镁浓度与其相应的电导率值进行拟合。请见图1，离子载体浓度的碳纳米管电泳沉积液与其相应电导率的测试曲线方程为公式1：

其中是溶液中硝酸镁浓度，单位为；是溶液电导率，单位为，和 为拟合参数。

第二，所述红外光谱法分析纳米碳材料电泳沉积液的纳米碳材料浓度与其相应的吸收率的关系。所述红外光谱法中的纳米碳材料碳纳米管浓度范围为0～0.35 g/L。所述红外光谱法纳米碳材料碳纳米管浓度的测定特征吸收波数为1605~1630cm^-1，准确值根据仪器情况和纳米材料种类而定。优先地，本实施例红外光谱法纳米碳材料碳纳米管浓度的测定特征吸收波数为1630cm^-1。

请参阅图2，本实施例红外光谱法的具体实施过程是将碳纳米管和硝酸镁加入异丙醇溶剂中，超声分散制备成一系列碳纳米管浓度为0.03～0.35g/L的碳纳米管电泳沉积液，其中电泳沉积液硝酸镁浓度保持一样。本实施例红外光谱法以异丙醇为参比，对碳纳米管浓度为0.03～0.35g/L的碳纳米管电泳沉积液进行红外吸收光谱分析。将所得到的碳纳米管电泳沉积液吸光度值与其相应的碳纳米管浓度进行拟合，从而确定标准碳纳米管浓度的碳纳米管电泳沉积液与其相应吸光度的标定曲线。碳纳米管浓度的碳纳米管电泳沉积液与其相应吸光度的测试曲线方程为公式2：

其中是溶液中碳纳米管浓度，单位为；是溶液吸光度，和 是拟合参数。

第三，所述的电导率法和红外光谱法分别依据离子载体硝酸镁浓度与其相应的电导率的变化关系、纳米碳材料碳纳米管浓度与其相应的吸光度的变化关系实时测制硝酸镁浓度、碳纳米管浓度。本实施例设硝酸镁浓度和碳纳米管浓度都为定值的碳纳米管电泳沉积液为标准电泳沉积液，设该离子载体浓度和碳纳米管浓度下的碳纳米管电泳沉积液为最佳的沉积碳纳米管薄膜的离子载体浓度和碳纳米管浓度的碳纳米管电泳沉积液。根据本实施例的公式1、公式2计算待测电泳沉积液和标准电泳沉积液的硝酸镁和碳纳米管浓度之间差值，再而及时补充硝酸镁和碳纳米管或更换电泳沉积液使其接近标准电泳沉积液溶质浓度，更有利于下一次的电泳沉积工作。

实施例2

所述纳米碳材料为纳米碳纤维。

所述步骤1）和步骤2）中的离子载体为硝酸镁和硝酸铝。

所述步骤1）和步骤2）中的溶解有纳米碳材料的溶剂，溶剂为水。

所述步骤1）的标准曲线方程中离子载体的浓度为0～5g/L。

所述步骤2）的标准曲线方程中纳米碳材料浓度0～0.35g/L。

所述步骤2）中红外光谱的特征吸收波数为1605cm^-1。

以上未提及部分与具体实施例1相同。

实施例3

所述纳米碳材料为石墨烯与富勒烯。

所述步骤1）和步骤2）中的离子载体为氯化铝。

所述步骤1）和步骤2）中的溶解有纳米碳材料的溶剂，所述的有机溶剂为乙二醇和丁醇。

所述步骤1）的标准曲线方程中离子载体的浓度为0～5g/L。

所述步骤2）的标准曲线方程中纳米碳材料浓度0～0.35g/L。

所述步骤2）中红外光谱的特征吸收波数为1620cm^-1。

以上未提及部分与具体实施例1相同。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (1)

1.一种纳米碳材料电泳沉积液浓度的监测和分析方法，其中对所述电泳沉积液中两种组分的浓度进行监测和分析，其特征在于：所述方法为：

1)将离子载体加入到溶解有纳米碳材料的溶剂中，测量纳米碳材料电泳沉积液的电导率，制作离子载体浓度对电导率的标准曲线方程，根据标准曲线方程和待测电泳沉积液的电导率计算待测样的离子载体浓度；

2)将离子载体加入到溶解有纳米碳材料的溶剂中，采用红外光谱测量纳米碳材料电泳沉积液的吸光度，制作纳米碳材料浓度对吸光度的标准曲线方程，根据标准曲线方程和待测电泳沉积液的吸光度计算待测样的纳米碳材料浓度；

所述纳米碳材料为一维纳米碳材料；

所述纳米碳材料为碳纳米管、石墨烯、纳米碳纤维、富勒烯、纳米多孔碳的任意一种或几种；

所述步骤1)和步骤2)中的离子载体为硝酸镁、硝酸铝、硝酸铟、硝酸锌、硝酸银、硝酸镧、氯化镁、氯化铝、氯化铟中的任意一种或几种；

所述步骤1)和步骤2)中的溶解有纳米碳材料的溶剂，溶剂为水或有机溶剂；

所述的有机溶剂为乙醇、异丙醇、乙二醇、丙醇、丁醇中的任意一种或几种；

所述步骤1)的标准曲线方程中离子载体的浓度为0～5g/L；

所述步骤2)的标准曲线方程中纳米碳材料浓度0～0.35g/L；

所述步骤2)中红外光谱的特征吸收波数为1605～1630cm^-1。