CN107662915A - 一种三维立构型碳纳米管及其制备方法 - Google Patents

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    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
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Abstract

一种三维立构型碳纳米管及其制备方法，三维立构型碳纳米管是由直线型或弯曲型碳纳米管彼此呈三维立体结构连接而成，甚至形成闭环结构，制备方法具有反应时间短、成本低、反应过程可控程度高、制备条件调整方便简单、连续化制备的优点。

Description

一种三维立构型碳纳米管及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种三维立构型碳纳米管及其制备方法，属于碳纳米管技术领域。
技术背景
碳纳米管作为一种新型碳材料,由于其独特的结构与性能,具有巨大的应用价值,而且也在许多领域已得到应用，而且起到越来越大的作用，例如复合材料领域、热管理材料领域材料、储能领域、水处理领域、吸附材料领域、催化剂领域、磁记录处理领域、电子器件领域、磁敏/气敏材料领域和吸波材料领域等。
碳纳米管的形态结构很多，包括直线型、弯曲型、分支型和螺旋型等。碳纳米管的结构差异导致其性能和应用领域都会有一定的差别。有关直线型碳纳米管制备的报道非常多，弯曲型碳纳米管和螺旋型碳纳米管制备的报道也有不少，但是有关分支型碳纳米管制备的报道相对较少。中国授权发明专利CN200710074810公开了一种分支型碳纳米管的制备方法，是采用基板法，以乙炔、甲烷、乙烯、一氧化碳或乙醇中的一种或多种有机化合物为碳源制备出分支型碳纳米管。中国授权发明专利CN201110121157公开了一种以二甲硫醚为碳源制备分支型碳纳米管的方法，是以二甲硫醚为碳源，以二茂铁为催化剂前驱体，在温度900～1100℃下进行催化裂解形成分支型碳纳米管。W. Z. Li等报道了采用Co/Mg或Co/Ca可以制备出“Y”型碳纳米管（J. Phys. Chem. B 2006, 110, 23694-23700）。目前鲜有关于三维立构型碳纳米管制备的报道。三维立构型碳纳米管，是由直线型碳纳米管或弯曲型碳纳米管彼此呈三维立体结构连接而成，甚至形成闭环结构，这种结构不同于通常的分支型碳纳米管。三维立构型碳纳米管的独特结构，使其相比于其他结构的碳纳米管，在电极材料、复合材料、热管理材料等领域将更加具有优势，甚至可以直接作为纳米电路或电子器件应用于微电子领域。因此，如何制备独特结构的三维立构型碳纳米管具有重要的意义和价值。
发明内容
针对三维立构型碳纳米管所具有重要的意义和价值，本发明提供了一种三维立构型碳纳米管及其制备方法，其特征在于，三维立构型碳纳米管是由直线型或弯曲型碳纳米管彼此呈三维立体结构连接而成，甚至形成闭环结构，本发明有益效果在于：1）反应时间短，成本低；2）反应过程可控程度高，制备条件调整方便简单；3）连续化制备；4）碳纳米管呈三维立构型结构。
具体地说，本发明的制备方法包括以下步骤：
（1）将有机金属化合物和含硫有机化合物溶解于有机化合物中配成反应原料溶液；
（2）将高温反应炉在氮气气氛下加热到反应温度；
（3）到达反应温度后，同时通入氮气和氢气，同时通过脉冲泵将步骤（1）配制的溶液引入高温反应炉；
（4）溶解进入高温反应器后，通过催化化学气相沉积过程形成三维立构型碳纳米管，所形成的产物进入收集器。
优选在本发明的方法中，有机金属化合物独立地选二茂铁、二茂镍、二茂钴、羟基铁、羟基镍和其组合所组成的组，溶液中有机金属化合物的浓度为0.01-0.15g/L；含硫有机化合物独立地选自由噻吩、二甲基亚砜、二甲硫醚和其组合所组成的组，溶液有机金属化合物的浓度为0.001-0.1mL/L；有机化合物作为碳源，选自由苯、甲苯、二甲苯、环己烷、乙醇、二氯甲烷、三氯甲烷和其组合所组成的组；反应温度为600-1300℃，最优的900-1200℃；氢气流量为0.5-8L/min，最优的2-5L/min；脉冲泵流量为0.5-20mL/min，最优的2-8mL/min。
本发明进一步涉及由前述方法制备得到的三维立构型碳纳米管，其中，三维立构型碳纳米管是由直线型或弯曲型碳纳米管彼此呈三维立体结构连接而成，甚至形成闭环结构。
附图说明
图1为实施例1所得三维立构型碳纳米管的透射电镜（TEM）图片。
图2为实施例1所得三维立构型碳纳米管的扫描电镜（SEM）图片。
图3为实施例2所得三维立构型碳纳米管的扫描电镜（TEM）图片。
图4为实施例3所得三维立构型碳纳米管的扫描电镜（SEM）图片。
具体实施方式
实施例1
（1）将二茂铁和噻吩溶解于苯中配制成反应溶液，其中二茂铁和噻吩的浓度分别为0.05mol/L和0.015ml/L；高温反应炉在氮气保护下加热到1170℃；温度稳定后，通入氮气/氢气，流量分别为1.5L/min和5.5L/min；接着通过脉冲泵将反应溶液引入高温反应炉中,流量为2mL/min；反应溶液在氮气/氢气的携带下通过高温反应区进行高温催化裂解反应生成碳纳米管；生成的碳纳米管进入收集器中。
图1为实施例1所得碳纳米管的TEM图片，图2为实施例1所得碳纳米管的SEM图片。
实施例2
（1）将二茂铁和噻吩溶解于苯中配制成反应溶液，其中二茂铁和噻吩的浓度分别为0.05mol/L和0.02ml/L；高温反应炉在氮气保护下加热到1160℃；温度稳定后，通入氮气/氢气，流量分别为2L/min和5.5L/min；接着通过脉冲泵将反应溶液引入高温反应炉中，流量为2mL/min；反应溶液在氮气/氢气的携带下通过高温反应区进行高温催化裂解反应生成碳纳米管；生成的碳纳米管进入收集器中。
图3为实施例2所得碳纳米管的TEM图片。
实施例3
（1）将二茂铁和噻吩溶解于二甲苯中配制成反应溶液，其中二茂铁和噻吩的浓度分别为0.0123mol/L和0.0023ml/L；高温反应炉在氮气保护下加热到1200℃；温度稳定后，通入氮气/氢气，流量分别为1L/min和2L/min；接着通过脉冲泵将反应溶液引入高温反应炉中，在氮气/氢气的携带下通过高温反应区进行高温催化裂解反应生成碳纳米管；生成的碳纳米管进入收集器中。
图4为实施例3所得碳纳米管的SEM图片。

Claims (7)

1.一种三维立构型碳纳米管及其制备方法，其特征在于，三维立构型碳纳米管是由直线型或弯曲型碳纳米管彼此呈三维立体结构连接而成，甚至形成闭环结构，制备过程包括以下步骤：
（1）将有机金属化合物和含硫有机化合物溶解于有机化合物中配成反应原料溶液；
（2）将高温反应炉在氮气气氛下加热到反应温度；
（3）到达反应温度后，同时通入氮气和氢气，同时通过脉冲泵将步骤（1）配制的溶液引入高温反应炉；
（4）溶解进入高温反应器后，通过催化化学气相沉积过程形成三维立构型碳纳米管，所形成的产物进入收集器。
2.如权利要求1所述的一种三维立构型碳纳米管及其制备方法，其中，有机金属化合物独立地选二茂铁、二茂镍、二茂钴、羟基铁、羟基镍和其组合所组成的组，溶液中有机金属化合物的浓度为0.01-0.5g/L。
3.如权利要求1-2所述的一种三维立构型碳纳米管及其制备方法，其中，含硫有机化合物独立地选自由噻吩、二甲基亚砜、二甲硫醚和其组合所组成的组，溶液有机金属化合物的浓度为0.001-0.1mL/L。
4.如权利要求1-3所述的一种三维立构型碳纳米管及其制备方法，其中，有机化合物作为碳源，选自由苯、甲苯、二甲苯、环己烷、乙醇、二氯甲烷、三氯甲烷和其组合所组成的组。
5.如权利要求1-4所述的一种三维立构型碳纳米管及其制备方法，其中，反应温度为600-1300℃，最优的900-1200℃。
6.如权利要求1-5所述的一种三维立构型碳纳米管及其制备方法，其中，氢气流量为0.5-8L/min，最优的2-5L/min。
7.如权利要求1-6所述的一种三维立构型碳纳米管及其制备方法，其中，脉冲泵流量为0.5-20mL/min，最优的2-8mL/min。
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