CN104891472A - 一种直线型碳纳米管的合成方法 - Google Patents
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Abstract
一种直线型碳纳米管的合成方法，按如下步骤：（1）将颗粒在20~300微米的二茂铁按重量体积（g/ml）比１:10~50充分溶解溶于苯溶液；（2）将二茂铁-苯溶液使用3~6孔雾化器，以氢为载体从立式合成炉顶部喷射到合成炉中，同时从合成炉顶部注入氮气，氢气和氮气的通入压强分别控制在0.1~0.6MPa和0.1~0.6MPa，流速比2:1；立式合成炉碳纳米管生长区的温度控制在1200℃~1400℃，并保持由上至下的温度梯度依次为：900℃~1200℃、1200℃~1400℃、900℃~1200℃。本发明通过提高和控制催化剂颗粒运动速度来生产直线型碳纳米管。本发明工艺简单，原料来源广泛，生产效率高，适用大规模工业生产。
Description
技术领域
本发明属于化学和功能材料领域，涉及碳纳米管的合成方法。
背景技术
目前，碳纳米管的主要制造方法是：直流电弧法、激光烧蚀法和化学气相沉积法。直流电弧法和激光烧蚀法无法实现大规模生产（克量级），只能少量满足实验室研究的需要，不适用于工业化生产，而化学气相沉积法可以制备工业使用量级的碳纳米管。
传统化学气相沉积法生产的碳纳米管形貌弯曲，互缠绕、纯度和结晶度不高，使得碳纳米管本身的结构性能欠佳，同时难于分散，阻碍了其在工业中的应用。图1、图2显示出，传统碳纳米管的微观形貌图。参照图1、图2可以看出碳纳米管存在着大量的弯曲和缠绕现象。因此，从根本上解决碳纳米管生长过程中的弯曲和团聚，就显得尤为关键。
碳纳米管合成的反应器是决定碳纳米管形貌的重要因素，由于碳纳米管的特殊的生长模式，若采用固定反应床、移动反应床等合成方法，碳纳米管在生长过程中，内部应力得不到释放，阻碍碳纳米管生长，容易导致进一步的团聚。因此，碳纳米管的生长反应器必须提供充分的生长空间。在碳纳米管形成的过程中，反应炉的温度、气氛都对碳纳米管的形貌和品质产生着重要影响，反应炉内的气流导向也对碳纳米管的生长有着导向的作用。因此，在碳纳米管合成过程中，对于这一系列参数的控制决定了碳纳米管的形貌和品质。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，通过控制碳纳米管的生长条件，提出一种直线型碳纳米管的合成方法。
本发明是通过以下技术方案实现的。
本发明所述的合成方法，按如下步骤。
（1）将颗粒在20~300微米之间的二茂铁按重量体积（g/ml）比为１:10~50溶解于苯溶液，经磁力搅拌至充分溶解后，过滤去除不能溶解的颗粒。
（2）将配置好的二茂铁-苯溶液使用3~6孔雾化器，以氢为载体从立式合成炉顶部喷射注入到合成炉中，同时从合成炉顶部注入氮气调节炉内气氛。其中氢气和氮气的通入压强分别控制在0.1~0.6MPa和0.1~0.6MPa，两者的流速比维持在2:1。
立式合成炉碳纳米管生长区的温度控制在1200℃~1400℃，并保持由上至下的温度梯度依次为：900℃~1200℃、1200℃~1400℃、900℃~1200℃。
直线型碳纳米管是一种一维结构的高结晶度碳纳米管。本发明放弃传统碳纳米管合成工艺中使用固体催化剂并且催化剂保持静止不动的工艺，通过提高和控制催化剂颗粒运动速度来生产直线型碳纳米管。本发明的另一个特点是，对比传统工艺，本发明的碳纳米管的生产工艺，碳纳米管的生产效率大幅提高，直线型碳纳米管的合成可在5-10秒钟的时间内完成，而传统工艺合成碳纳米管至少需要1-2小时的时间才能完。
本发明工艺简单，原料来源广泛，生产效率高，适用大规模工业生产。
本发明所述的碳纳米管：用作锂离子电池的导电添加剂；用于制造碳纳米管导电薄膜；用于制造电磁屏蔽和吸波材料；用作锂离子电池的正负极和集流极；用于场发射显示器发射极。
附图说明
图1为传统碳纳米管的SEM图。
图2为传统碳纳米管的TEM图。
图3为本发明合成直线型碳纳米管SEM图。
图4为本发明合成直线型碳纳米管TEM图。
图5为本发明合成直线型碳纳米管的TGA图谱。其中，横坐标为temp cel(摄氏度)，左边纵坐标为DTA(μV)(差热分析)，右边纵坐标为TG(%)(热重分析)。
图6为本发明合成直线型碳纳米管的XRD图谱。
具体实施方式
本发明将通过以下实施例作进一步说明。
实施例1。
1）取10克颗粒大小在100~200微米之间的二茂铁溶解在300毫升苯溶液中，过滤后备用。
2）将上述配制好的二茂铁-苯溶液用蠕动泵注入到雾化器中，同时将氢气和氮气分别以0.2MPa和0.2MPa的压强，流速24L/min和12L/min导入3孔雾化器。
3）雾化后的溶液喷射注入温度梯度由上至下为1000℃，1300℃，1000℃的立式合成炉中合成碳纳米管。
4）合成的碳纳米管在合成炉的底部沉积，冷却后取出。
实施例2。
1）取10克颗粒大小在200~300微米之间的二茂铁溶解在100毫升苯溶液中，过滤后备用。
2）将上述配制好的二茂铁-苯溶液用蠕动泵注入到雾化器中，同时将氢气和氮气分别以0.1MPa和0.3MPa的压强，流速12L/min和6L/min导入6孔雾化器。
3）雾化后的溶液喷射注入温度梯度由上至下为900℃，1200℃，900℃的立式合成炉中合成碳纳米管。
4）合成的碳纳米管在合成炉的底部沉积，冷却后取出。
实施例3。
1）取10克颗粒大小在50~100微米之间的二茂铁溶解在400毫升苯溶液中，过滤后备用。
2）将上述配制好的二茂铁-苯溶液用蠕动泵注入到雾化器中，同时将氢气和氮气分别以0.2MPa和0.3MPa的压强，流速18L/min和9L/min导入5孔雾化器。
3）雾化后的溶液喷射注入温度梯度由上至下为1100℃，1400℃，1100℃的立式合成炉中合成碳纳米管。
4）合成的碳纳米管在合成炉的底部沉积，冷却后取出。
实施例4。
1）取10克颗粒大小在200~300微米之间的二茂铁溶解在300毫升苯溶液中，过滤后备用。
2）将上述配制好的二茂铁-苯溶液用蠕动泵注入到雾化器中，同时将氢气和氮气分别以0.1MPa和0.2MPa的压强，流速28L/min和14L/min导入4孔雾化器。
3）雾化后的溶液喷射注入温度梯度由上至下为1000℃，1400℃，1000℃的立式合成炉中合成碳纳米管。
4）合成的碳纳米管在合成炉的底部沉积，冷却后取出。
合成材料对比 ：图1、图2为传统碳纳米管的SEM、TEM图，图中可以看出碳纳米管存在团聚和缠绕，图3、图4为本方法合成碳纳米管的 SEM、TEM图，图中可以看出碳纳米管为直线型，管径光滑、均匀，原子排列致密。图5为本方法合成直线型碳纳米管的TGA曲线，图中可以看出直线型碳纳米管的纯度为99.8%。图6为本方法合成直线型碳纳米管的XRD图谱，图中可以看出碳纳米管的（002）峰尖锐而狭窄，碳纳米管的石墨化程度已达到97.25%，具有很高的结晶度。
Claims (1)
1.一种直线型碳纳米管的合成方法，其特征是按如下步骤：
（1）将颗粒在20~300微米之间的二茂铁按重量体积（g/ml）比为１:10~50溶解于苯溶液，经磁力搅拌至充分溶解后，过滤去除不能溶解的颗粒；
（2）将配置好的二茂铁-苯溶液使用3~6孔雾化器，以氢为载体从立式合成炉顶部喷射注入到合成炉中，同时从合成炉顶部注入氮气调节炉内气氛，其中氢气和氮气的通入压强分别控制在0.1~0.6MPa和0.1~0.6MPa，两者的流速比维持在2:1；
立式合成炉碳纳米管生长区的温度控制在1200℃~1400℃，并保持由上至下的温度梯度依次为：900℃~1200℃、1200℃~1400℃、900℃~1200℃。
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