一種磁性碳納米管的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于碳納米管技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及納米氮化鐵的制備技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]碳納米管(CNTs)，包括多壁碳納米管(MWNTs)和單壁碳納米管(SWNTs)，自1991年發(fā)現(xiàn)其獨特的一維管狀結(jié)構(gòu)和性能以來，它已經(jīng)引起了廣泛的關(guān)注，其作為一種理想的結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的加固劑，碳納米管因此具有強大的機械性能，如，楊氏模量分別為950GPa，ITPa的多壁碳納米管和碳納米管。碳納米管還具有優(yōu)異的電學(xué)特性，通過對它們直徑和螺旋度的控制，使其在分子或納米器件構(gòu)建的方面得以應(yīng)用。管狀空心腔使得它們在納米結(jié)構(gòu)反應(yīng)器中得以應(yīng)用。此外，其擁有的高表面積，低電阻率，以及良好的化學(xué)穩(wěn)定性，使得碳納米管在催化劑，超級電容器，鋰離子電池材料以及生物領(lǐng)域的等應(yīng)用方面都存在著巨大的潛能。大多數(shù)應(yīng)用都依賴于碳納米管功能化的表面。適當(dāng)?shù)母男圆粌H會提高碳納米管的相關(guān)性能，也是一個制備新型復(fù)合材料的有效方法，更重要的是，它將拓展碳納米管的應(yīng)用實踐。
[0003]近年來，磁性材料應(yīng)用專注于對碳納米管填充納米顆粒，或涂覆一層磁殼，特別是制備由磁性氧化鐵包覆碳納米管的納米復(fù)合材料。Chunyue Cui等人通過熱分解法成功合成了一種具有良好吸附性、磁性能以及微波吸收性的磁性Fe3O4包覆的碳納米管，其飽和磁化強度達(dá)到20emu/g左右C3Yan Shan等人所成功合成的磁性Fe3(k包覆的多壁碳納米管是利用液相法制備，其飽和磁化強度達(dá)到30emu/g左右;Syed Danish Ali等人利用C0CI2.6H2O和FeCh等所合成的CoFe204/CNTs納米復(fù)合材料，其飽和磁化強度也達(dá)到了接近40emu/g,目前，磁性碳納米管的制備因其穩(wěn)定性基本都為液相法，再例如:Maryam Fayazi等人則利用FeSO4.7H20,FeCl3.6H20以及氨水成功制備出Fe3O4包覆的碳納米管，其飽和磁化強度為13emu/g左右，同時也具有較好的吸附性。Xiao和他的同事利用一鍋法制備出了Fe3(k納米粒子包覆碳納米管，他們通過溶劑熱法利用二甘醇溶液、多壁碳納米管和氯化鐵溶液來避免多壁碳納米管表面改性。在這里，我們介紹了合成包覆Fe304納米粒子的碳納米管的一種簡單方法，所得到的磁性納米管與純碳納米管相比具有更好的生物相容性和物理化學(xué)性能。
[0004]但是，采用目前各類方法的磁性碳納米管，雖然各項性能不錯，但是由于制備過程過于復(fù)雜、困難，且制備原料大多對環(huán)境不利，使得其無法實現(xiàn)量產(chǎn)，導(dǎo)致其目前的研究仍舊處于小規(guī)模探索中，繼而在大多數(shù)研究人員的研究背景下，其制備方法總體趨勢仍舊沒有發(fā)生改變。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種磁性碳納米管的制備方法，它能有效地解決目前工藝制備的成本高、難度大的問題，且完全可以實現(xiàn)量產(chǎn)。
[0006]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的:通過控制工藝、濃度、退火溫度、退火時間等重要參數(shù)，使碳納米管的磁性呈現(xiàn)出不同的變化規(guī)律，從而制備出一種高飽和磁化強度及化學(xué)穩(wěn)定性較好的的磁性碳納米管。
[0007]—種磁性碳納米管的制備方法，包含如下的工藝步驟:
[0008]第一步，配制濃度為0.5?2mol/L的Fe(NO3)3.9H20酒精溶液，以平均直徑20?50納米的碳納米管為原料，將該碳納米管放入配制好的酒精溶液中，利用超聲波進(jìn)行分散和攪拌10?20分鐘，取出碳納米管，用濾紙對其進(jìn)行過濾后，在60°C的條件下真空烘干2小時，獲得碳納米管-硝酸鐵復(fù)合粉末；
[0009]第二步，將碳納米管-硝酸鐵復(fù)合粉末放入氣體氮化爐中，在純度99.99%的流動的氬氣保護(hù)下升溫至550?650°C，然后以I?2立方米/小時的流量通入氨氣進(jìn)行25?35分鐘的氣體氮化處理，處理后在流動的氨氣保護(hù)下冷卻至室溫，獲得碳納米管-鐵氮合金復(fù)合粉末；
[0010]第三步，將碳納米管-鐵氮合金復(fù)合粉末放入真空爐中，在爐內(nèi)壓力〈IPa，溫度為500?600°C的條件下進(jìn)行10?30分鐘的退火處理，然后在真空條件下隨爐冷至室溫取出，即可獲得飽和磁化強度超過80emu/g的高飽和磁化強度的磁性碳納米管復(fù)合材料。
[0011]所述碳納米管的純度>90 %。
[0012]所述超聲波的工作頻率為40KHz。
[0013]通過控制退火溫度和退火時間，可以實現(xiàn)不同氮濃度的高飽和磁化強度的磁性碳納米管復(fù)合材料
[0014]所述碳納米管的平均外徑為20?50納米，長度在10?30微米，其中COOH的含量控制在0.5%。
[0015]所述滲氮爐中，氨氣的流量控制在I?2立方米/小時。
[0016]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點與效果:
[0017]本發(fā)明以碳納米管為原料，采用氮化處理以及退火的方法制備得到氮化鐵包覆碳納米管，其方法為磁性能優(yōu)異、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的磁性碳納米管的制備提供一個有效的途徑，并使之具有制備方法操作簡單、過程容易控制的優(yōu)點。所獲得的磁性碳納米管具有相對較高飽和磁化強度、高矯頑力、耐高溫性、耐磨性，與目前的制備較為頻繁的Fe3O4包覆碳納米管相比，磁性能約提高I倍。
【附圖說明】
[0018]圖1是本發(fā)明的在透射電鏡下的微觀形貌。
[0019]圖2是本發(fā)明的XRD物相分析。
[0020]圖3是本發(fā)明的磁性能曲線。
【具體實施方式】
[0021]配制Fe(NO3)3.9H20酒精溶液，酒精溶液中Fe(NO3)3.9H20的濃度控制在0.5?2mol/L，以長度在10?30微米、平均直徑20?50納米的碳納米管為原料，將該碳納米管放入配制好的酒精溶液中，在超聲波工作頻率為40KHz條件下進(jìn)行超聲進(jìn)行分散和攪拌10?20分鐘并使碳納米管吸附鐵離子或硝酸鐵分子，取出碳納米管，用濾紙對其進(jìn)行過濾后，然后在60°C的條件下真空烘干2小時，得到吸附有Fe的化合物分子的碳納米管粉末;將該粉末放入氣體氮化爐中，在純度99.99%的流動的氬氣保護(hù)下升溫至目標(biāo)溫度550?650°C，在氨氣的流量為I?2立方米/小時氛圍下進(jìn)行25?30分鐘的氮化處理，保護(hù)氣氛下冷至室溫;隨后將