CN108190860B - 一种微波制备单壁碳纳米管的方法 - Google Patents

一种微波制备单壁碳纳米管的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种微波制备单壁碳纳米管的制备方法，1)将二茂铁溶于一定量的苯溶液中，形成饱和的二茂铁苯溶液；2)把介孔碳材料加入步骤1)得到的二茂铁苯溶液中，充分混合摇匀；3)将步骤2)所得的溶液充分混合，静置，待二茂铁溶液充分渗透入介孔碳的孔道中后吸出溶液中的混合物，均匀涂到坩埚上；将步骤3)所得的坩埚置于微波炉中微波加热，合成出的黑色产物为单壁碳纳米管。反应过程中二茂铁分解形成的铁纳米颗粒作为催化剂，在介孔碳的孔道中析出并且催化受热分解形成的有机物和附着周边的无定型碳，产生单壁碳纳米管。

Description

一种微波制备单壁碳纳米管的方法
技术领域
本发明属于纳米材料的制备领域，具体涉及一种微波制备单壁碳纳米管的方法。
背景技术
1991年日本科学家Iijima在电弧蒸发后的石墨阴极上发现了一些中空针状物质，这是碳纳米管首次被人们发现。碳纳米管分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管，其中，单壁碳纳米管是理想的分子纤维，可以看作单层片状石墨烯按一定方向卷曲而成的圆筒，具有一维结构和单层分子形态，一般直径在0.4nm到2nm之间，其展现出了高比表面积、高强度、耐腐蚀、耐高温、自润滑性、导热和导电性好等独特的物理和化学性质。例如其抗拉强度达到100～200Gpa，达到钢的500倍以上，密度只有钢的1/6左右；在导热性方面，10nm的单壁碳纳米管导热系数大于2800W/m·k，和金的导热性相差无几。所以，利用碳纳米管制成的纳米复合材料，在光电器件、化学传感、生物医学、超级电容等领域有着巨大的开发潜力和广阔的应用前景。
1993年Iijima和D.S.Bethune等用电弧法首次成功制备单壁碳纳米管在，他们以甲烷为原料气，氩气为保护气，利用铁作为催化剂催化合成出少量的单壁碳纳米管。此后，人们对合成单壁碳纳米管的方法进行了多年的探索，R.E.Smalley等用激光蒸发法合成单壁碳纳米管，成会明等利用有机物催化热解的CVD法在1000摄氏度下合成单壁碳纳米管。经过几十年的改进和完善，单壁碳纳米管的合成方法主要分为电弧放电法，激光蒸发法和CVD法，然而现有的这些方法具有设备成本高，条件要求高，合成工艺复杂，甚至危险性高等缺点。
因此，发展出一种简易便捷的合成单壁碳纳米管的方法，特别是在空气环境中，常温常压下可迅速安全地合成单壁碳纳米管的方法显得尤为重要。
发明内容
本发明目的是，针对现有技术中合成单壁碳纳米管制备工艺复杂，过程耗时长的问题，本发明旨在提供一种简易、快速的制备单壁碳纳米管的方法，原材料为介孔碳材料、苯和二茂铁固体颗粒，设备为(家用)微波炉，不需要保护气或者原料气体，制备过程在常温常压的空气环境中进行。本发明所提供的制备单壁碳纳米管的方法成本低，制作过程简单，可大规模生产。
本发明的技术方案如下：
(1)将二茂铁溶于一定量的苯溶液中，形成饱和的二茂铁苯溶液；
(2)把介孔碳材料加入步骤(1)得到的溶液中，充分混合摇匀；
(3)将步骤(2)所得的溶液充分混合，静置，待二茂铁溶液充分渗透入
介孔碳介孔中后吸出溶液中的混合物即吸附并透入介孔碳的材料，均匀涂到坩埚上；
(4)将步骤(3)所得的坩埚置于微波炉中加热，合成出的黑色产物为单
壁碳纳米管。
本发明中，所述步骤(1)中的二茂铁和苯的质量比大于1:12。
本发明中，所述步骤(2)中的介孔碳材料的孔径在10纳米以下，具有介孔结构的碳颗粒，介孔结构的碳颗粒模版剂为介孔分子筛，如mcm-41，cmk-1，cmk-3等。
本发明中，步骤(3)中的坩埚为二氧化硅石英坩埚。
本发明中，步骤(4)中的微波炉为瓦，加热时间为30秒至60秒。在室温空气的环境中通过微波加热一种负载二茂铁的介孔碳材料，使其快速升温并产生电弧和火花，持续30秒以上。反应过程中二茂铁分解形成的铁纳米颗粒作为催化剂，在介孔碳的孔道中析出并且催化受热分解形成的有机物和附着周边的无定型碳，产生单壁碳纳米管。微波加热的设备选取家用的微波炉，不涉及惰性气体或原料气。
有益效果：根据本发明所得的单笔碳纳米管可以通过透射电子显微镜(TEM)，拉曼光谱分析仪等设备进行表征，拉曼光谱表征可以观察到波数在100-400之间存在单笔碳纳米管的特征呼吸峰,得到意想不到的效果。与现有制备单笔碳纳米管的技术相比，本发明使用二茂铁作为催化剂。所示的方法具有成本低廉，制备工艺简单，合成周期短，过程安全便捷，可大规模生产等优点。微波炉为家用，如700瓦，频率为2450MHZ，加热时间为30秒以上。所合成单壁碳纳米管具有确定的直径，高长径比，大多为金属型单壁碳纳米管。
附图说明
图1为本发明实施例1中所制备的单壁碳纳米管的TEM图；
图2为本发明实施例1中所制备的单壁碳纳米管的拉曼光谱图；
图3为本发明实施例2中所制备的单壁碳纳米管的TEM图；
图4为本发明实施例3中所制备的单壁碳纳米管的TEM图。
具体实施方式
下面结合实例对本发明进行进一步的阐述，以便于本发明的优点和特性能够更容易被本领域的科研和技术人员所理解，从而对本发明做出更准确和明晰的保护和界定。
实施例1
(1)将1g二茂铁溶于10ml的苯溶液中，静置1小时后形成饱和的二茂铁苯溶液；
(2)把0.2g的cmk-3介孔碳材料加入步骤(1)得到的溶液中，充分混合摇匀；
(3)将步骤(2)所得的溶液充分混合，静置24小时，待二茂铁溶液充分渗透入cmk-3介孔碳材料介孔中后吸出溶液中的cmk-3和二茂铁的混合物，均匀涂到石英坩埚上；
(4)将步骤(3)所得的坩埚置于微波炉中微波加热，得到的黑色产物为单壁碳纳米管。
将步骤(4)中所得到的产物进行TEM和拉曼表征结构和形貌，图1为此反应所得的碳纳米管的TEM图，图2为此反应所得的碳纳米管的拉曼图(激光波长512nm)。从拉曼图中可以看到在波数100-400之间存在峰位，为单壁碳纳米管的特征峰，波数1350、1550和2700附近的峰位为碳纳米管的峰，说明产物为单壁碳纳米管。介孔碳材料为cmk-1得到类似的结果。
实施例2
(1)将0.3g二茂铁溶于3mL的苯溶液中，静置1小时后形成饱和的二茂铁苯溶液；
(2)把0.1g的cmk-3介孔碳材料加入步骤(1)得到的溶液中，充分混合摇匀；
(3)将步骤(2)所得的溶液充分混合，静置24小时，待二茂铁溶液充分渗透入介孔中后吸出溶液中的cmk-3和二茂铁的混合物，均匀涂到石英坩埚上；
(4)将步骤(3)所得的坩埚置于微波炉中加热1分钟，得到的黑色产物为单壁碳纳米管。
将步骤(4)中所得到的产物进行TEM表征结构和形貌，图3为此反应所得的碳纳米管的TEM图。
实施例3
(5)将1g二茂铁溶于10mL的苯溶液中，静置1小时后形成饱和的二茂铁苯溶液；
(6)把0.1g的cmk-3介孔碳材料加入步骤(1)得到的溶液中，充分混合摇匀；
(7)将步骤(2)所得的溶液充分混合，静置24小时，待二茂铁溶液充分渗透入介孔中后吸出溶液中的cmk-3和二茂铁的混合物，均匀涂到石英坩埚上；
(8)将步骤(3)所得的坩埚置于微波炉中加热30秒，得到的黑色产物为单壁碳纳米管。
将步骤(4)中所得到的产物进行TEM表征结构和形貌，图4为此反应所得的碳纳米管的TEM图。

Claims (6)

1.一种微波制备单壁碳纳米管的制备方法，其特征在于步骤如下：
（1）将二茂铁溶于一定量的苯溶液中，形成饱和的二茂铁苯溶液；
（2）把介孔碳材料加入步骤（1）得到的二茂铁苯溶液中，充分混合摇匀；
（3）将步骤（2）所得的溶液充分混合，静置，待二茂铁溶液充分渗透入介孔碳的孔道中后吸出溶液中的混合物，均匀涂到坩埚上；
（4）将步骤（3）所得的坩埚置于微波炉中微波加热，合成出的黑色产物为单壁碳纳米管。
2.根据权利要求1所述的一种微波制备单壁碳纳米管的方法，其特征在于，步骤（1）中的二茂铁和苯的质量比大于1:12。
3.根据权利要求1所述的一种微波制备单壁碳纳米管的方法，其特征在于，步骤（2）中的介孔碳材料的孔径在10纳米以下。
4.根据权利要求1所述的一种微波制备单壁碳纳米管的方法，其特征在于，步骤（3）中的坩埚为二氧化硅石英坩埚。
5.根据权利要求1所述的一种微波制备单壁碳纳米管的方法，其特征在于，步骤（4）中的微波炉为700瓦，频率为2450MHZ，加热时间为30秒以上。
6.根据权利要求1所述的一种微波制备单壁碳纳米管的方法，其特征在于，介孔结构的碳颗粒模版剂包括cmk-1和cmk-3的介孔分子筛材料。
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