CN103014917B - 一种多枝状碳纤维的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于化学材料制备技术领域，涉及一种多枝状碳纤维的制备方法，先在室温条件下，以去离子水为溶剂配置金属铜盐的水溶液，作为催化剂前躯体；然后取金属铜盐溶液催化剂前驱体置于瓷舟中，并将其放入管式反应炉中的反应管中，对反应管进行抽真空后开始升温，在设定温度下通入碳源气体乙炔至大气压反应；当反应结束后，将反应管内的剩余气体抽掉，并保持真空，关掉加热电源，待自然冷却至室温后，通入空气至大气压，打开反应管端口盖子，收集瓷舟里的产物即为多枝状碳纤维；其反应过程简化，操作简单，实验重复性好。

Description

一种多枝状碳纤维的制备方法

技术领域：

本发明属于化学材料制备技术领域，涉及一种多枝状碳纤维的制备方法。

背景技术：

碳纤维等碳材料因其在物理、化学、力学、电学、磁学等方面的独特特性，使其在催化剂载体、电容器电极、结构增强材料、吸波材料等诸多方面均具有广阔的应用前景。近年来，纳米碳管和气相生长碳纤维等材料方面的研究在全球范围内得到了巨大的精力和经费投入。众所周知，材料结构上的特殊性决定其性能的与众不同，具有较复杂结构的多枝状碳纤维不同于简单的一维碳材料，它将来可以在多个方面特别是在纳米级集成电路和结构增强材料等方面得到广泛的应用。对于多枝状碳纤维来说，其自身的结构特殊性可使其在三维空间上进行更均匀的分散，有效的减少碳纤维之间的相互缠绕，达到更高的分散均匀性，在结构增强材料应用方面具有自身优势。目前，多枝状碳纤维的制备方法有很多，如化学气相沉积法、电弧法、火焰法和模板法等，其中，化学气相沉积法是制备多枝状碳纤维最常见的方法之一，该方法是一种低成本、易扩大、操作简单、非常有潜力的制备方法，在这种制备方法过程中，一般采用铁、钴、镍和铜等金属或其合金、有机化合物作为催化剂或催化剂前驱体，以乙炔、乙烯、苯和二甲苯等作为碳源，在一定的反应温度条件下利用金属纳米颗粒的催化活性进行多枝状碳纤维的制备。在利用化学气相沉积法制备多枝状碳纤维的过程中，催化剂种类的选择是一个关键因素，它可直接影响到碳纤维合成反应的温度、碳纤维的生长速度等，对于传统的铁、钴、镍等过渡金属催化剂来说，其所需的反应温度一般都比较高，在600°C以上；化学气相沉积法中的反应温度高意味着能耗高，与当前提倡节能减排和绿色环保的社会主体不相符合；其次，在一般的制备多枝状碳纤维的过程中，其多枝状碳纤维进行分枝生长的位置，即分支节点的位置是随机的，无法对其进行精确控制，且各分枝碳纤维长度之间的比例关系也没有得到很好的解决，同样存在很大的任意性；最后，在分枝生长节点处碳纤维的生长数量不确定，即在不同的分枝生长节点位置，可能生长有不同数量的碳纤维；上述这三点是目前研究和制备多枝状碳纤维可控生长过程中普遍存在的技术问题。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，在较低温度条件下，利用化学气相沉积法制备分支节点位置确定的一种多枝状碳纤维的制备方法，提高多枝状碳纤维的形貌单一性，实现碳纤维的可控制备，其制备多枝状碳纤维的工艺操作简单，不需要引入硫化物或者磷化物等生长促进剂以改善碳纤维的生长，利用金属铜盐的水溶液作为催化剂前驱体。

为了实现上述目的，本发明的枝状碳纤维的制备方法按以下步骤完成：

（1）催化剂前驱体的制备：在室温条件下，以去离子水为溶剂配置浓度为0.5mol/L～2.0mol/L金属铜盐的水溶液，作为催化剂前躯体；

（2）多枝状碳纤维的制备：①取1ml～50ml金属铜盐溶液催化剂前驱体置于瓷舟（长×宽×高：6×3×1cm）中，并将其放入管式反应炉中的反应管（内径×长度：9×90cm）中；②对反应管进行抽真空，然后开始升温至300～600°C，升温速率设定在2°C/min～15°C/min；在设定的50°C～200°C温度下通入碳源气体乙炔至大气压，并保持反应时间5min～60min；

（3）多枝状碳纤维的收集：当反应结束后，将反应管内的剩余气体抽掉，并保持真空，关掉加热电源，待自然冷却至室温后，通入空气至大气压，打开反应管端口盖子，收集瓷舟里的产物即为多枝状碳纤维。

本发明采用简单的在封闭的环境***中合成直径为200nm~1μm，长度达十几μm的多枝状碳纤维，反应过程温度为300°C～600°C之间，且不需要磷化物和硫化物等生长促进剂或载气的参与，合成的碳纤维为无定形结构，具有多枝状形态的碳纤维在总产物中可达到80%以上；所合成的碳纤维以催化剂颗粒为分支节点，生长形貌和模式一致性高，可以应用于电容器、储氢和复合材料中，且产量大，操作简单，重复性好，适合于扩大为工业化生产。

本发明与现有技术相比，一是以金属铜盐的水溶液为催化剂前驱体，采用化学气相沉积法制备多枝状碳纤维，其反应温度在300°C～450°C之间，反应温度低，能耗低；二是制备的多枝状碳纤维，以催化剂颗粒为分支节点，即在同一个催化剂颗粒上同时生长碳纤维以实现多枝状生长模式，提高了多枝状碳纤维的形貌单一性；三是无磷化物或硫化物等生长促进剂的引入，简化反应过程，操作简单，且实验重复性好。

附图说明：

图1为本发明制备的多枝状碳纤维的透射电镜照片，从图中可以看出多枝状碳纤维以催化剂颗粒为分支节点进行分枝模式生长，催化剂前驱体采用的是氯化铜水溶液，在450°C反应温度下进行20min的反应。

图2为本发明制备的多枝状碳纤维的扫描电镜照片，从图中可以看出各分支碳纤维的直径相当。

图3为本发明制备的多枝状碳纤维的XRD谱图，由谱图可知多枝状碳纤维是由金属铜催化剂和具有无定形碳的碳纤维分枝组成的。

具体实施方式：

下面通过实施例并结合附图作进一步说明。

实施例1：

本实施例在室温条件下配置浓度为1.0mol/L氯化铜水溶液催化剂前驱体，并取10ml溶液置于瓷舟中，然后将瓷舟放入管式反应炉中，随后对管式反应炉中的反应管进行抽真空，并开始升温至350°C，升温速率设定在5°C/min；当温度升至60°C时通入碳源气体乙炔至大气压，保持反应时间20min；当反应结束后，将反应管内的剩余反应气体抽掉，并保持真空，关掉加热电源，待自然冷却至室温后，通入空气至大气压，打开反应管端口盖子，收集瓷舟里的多枝状碳纤维产物。

实施例2：

本实施例在室温条件下配置浓度为1.0mol/L氯化铜水溶液催化剂前驱体，并取10ml溶液置于瓷舟中，然后将其放入管式反应炉中；随后对管式反应炉中的反应管进行抽真空，然后开始升温至450°C，升温速率设定在8°C/min；当温度升至80°C时通入碳源气体乙炔至大气压，并保持反应时间20min；当反应结束后，将反应管内的剩余反应气体抽掉，并保持真空，关掉加热电源，待自然冷却至室温后，通入空气至大气压，打开反应管端口盖子，收集瓷舟里的多枝状碳纤维产物。

实施例3：

本实施例在室温条件下配置浓度为1.5mol/L氯化铜水溶液催化剂前驱体，并取20ml溶液置于瓷舟中，然后将其放入管式反应炉中；随后对管式反应炉中的反应管进行抽真空，然后开始升温至450°C，升温速率设定在5°C/min；当温度升至80°C时通入碳源气体乙炔至大气压，并保持反应时间20min；当反应结束后，将反应管内的剩余反应气体抽掉，并保持真空，关掉加热电源，待自然冷却至室温后，通入空气至大气压，打开反应管端口盖子，收集瓷舟里的多枝状碳纤维产物。

实施例4：

本实施例在室温条件下配置浓度为1.0mol/L硝酸铜水溶液催化剂前驱体，并取10ml溶液置于瓷舟中，然后将其放入管式反应炉中；随后对管式反应炉中的反应管进行抽真空，然后开始升温至450°C，升温速率设定在10°C/min；当温度升至60°C时通入碳源气体乙炔至大气压，并保持反应时间20min；当反应结束后，将反应管内的剩余反应气体抽掉，并保持真空，关掉加热电源，待自然冷却至室温后，通入空气至大气压，打开反应管端口盖子，收集瓷舟里的多枝状碳纤维产物。

Claims (1)

1.一种多枝状碳纤维的制备方法，其特征在于枝状碳纤维的制备方法按以下步骤完成： 

（1）催化剂前驱体的制备：在室温条件下，以去离子水为溶剂配置浓度为0.5mol/L～2.0mol/L金属铜盐的水溶液，作为催化剂前驱体； 

（2）多枝状碳纤维的制备：①取1mL～50mL金属铜盐溶液催化剂前驱体置于长×宽×高为6×3×1cm的瓷舟中，并将其放入管式反应炉中的内径×长度为9×90cm的反应管中；②对反应管进行抽真空，然后开始升温至300～600℃，升温速率设定在2℃/min～15℃/min；在设定的50℃～200℃温度下通入碳源气体乙炔至大气压，并保持反应时间5min～60min； 

（3）多枝状碳纤维的收集：当反应结束后，将反应管内的剩余气体抽掉，并保持真空，关掉加热电源，待自然冷却至室温后，通入空气至大气压，打开反应管端口盖子，收集瓷舟里的产物即为多枝状碳纤维。