專利名稱：一種由納米碳顆粒形成的碳微米管及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種管狀碳的制備方法，具體地說涉及一種由烴類催化熱解氣相沉積制備微米級(jí)管狀碳的方法。
背景技術(shù)：
管狀碳與其他形貌的碳材料相比，具有許多獨(dú)特的性質(zhì)和應(yīng)用背景。所謂管狀碳是指具有規(guī)則的圓柱形空心結(jié)構(gòu)的一維碳材料。根據(jù)管狀碳直徑的大小可分為納米管和微米管。碳納米管具有優(yōu)良的力學(xué)性能和奇特的電磁性能，因此在很多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用前景。例如，碳納米管可用于復(fù)合材料的增強(qiáng)劑、納米材料制備的模板、電子和納米器械材料、催化材料以及儲(chǔ)能材料。微米管由于具有較大的管徑，可以將一些難以在常規(guī)反應(yīng)器中進(jìn)行的反應(yīng)體系引入到微管中，構(gòu)成無數(shù)獨(dú)立單元的微型反應(yīng)器，從而加速和實(shí)現(xiàn)那些難以在常規(guī)反應(yīng)器中完成的反應(yīng)。也可以利用碳微米管的管道進(jìn)行物料的定向傳送，如在醫(yī)學(xué)上將藥物顆粒直接傳送到某些病變部位，起到事半功倍的效果。此外，碳微米管在吸附和分離等領(lǐng)域也有重要的應(yīng)用前景。因此碳微米管是一種非常有前途的新型碳材料。
目前有關(guān)用催化熱解的方法制備碳管的研究主要集中在納米管上，并有大量文獻(xiàn)和專利報(bào)道。如中國(guó)專利(申請(qǐng)?zhí)枮?2137403)報(bào)道了一種催化熱解法制備單壁碳納米管的連續(xù)化生產(chǎn)方法，其特征在于以含氫的載氣連續(xù)地將正硅酸乙酯和二茂鐵帶入高溫反應(yīng)區(qū)，經(jīng)原位反應(yīng)生成具有催化效應(yīng)的鐵-二氧化硅的納米復(fù)合粒子催化劑，原料分解得到的碳在催化劑作用下形成連續(xù)單壁納米管；所述高溫反應(yīng)區(qū)溫度為900-1200℃，載氣由氫氣和稀釋氣體組成，其中氫氣所占的摩爾百分比為5-85；反應(yīng)區(qū)的持續(xù)時(shí)間為20-60分鐘，含氫載氣的總流量為800-2400ml/mil，正硅酸乙酯流量為20-100mg/min，二茂鐵的流量為0.3-3mg/min。所得到的單壁碳納米管的直徑在2nm左右，以束的形式存在，長(zhǎng)度為數(shù)微米到數(shù)十微米，收率高達(dá)8％。但有關(guān)催化熱解制備直徑為微米級(jí)碳管的研究未見報(bào)道。
發(fā)明目的本發(fā)明的目的是提供一種直徑具有微米尺度的管狀碳材料及其制備方法。
本發(fā)明的碳微米管的特征是外徑為50～200微米，管壁厚度為10～30微米，長(zhǎng)度為2～10厘米，其中碳微米管的管壁由直徑為60～70納米的包含金屬的碳顆粒通過自組裝形式構(gòu)成的。
如上所述的金屬包含鐵、鈷或鎳。
本發(fā)明采用的方法特征是將催化劑和有機(jī)烴類在氬氣流中進(jìn)行熱解，即先將催化劑前軀體加熱使之緩慢氣化，然后用氬氣和烴類的混合氣體將氣化了的催化劑帶入到高溫反應(yīng)器中進(jìn)行熱解，形成碳微米管。
具體操作方法如下用氬氣將催化劑和烴類溶劑一起帶入到溫度為900～1200℃的反應(yīng)器中，反應(yīng)3～6小時(shí)，關(guān)掉反應(yīng)氣，在保護(hù)氣氛下降至室溫，即可在熱電偶端頭的樹狀碳的末端得到碳微米管。
如上所述的催化劑包括二茂鐵、二茂鎳或二茂鈷，其用量范圍為0.01～0.5毫克/分鐘·平方厘米。
如上所述的烴類包括脂肪烴和芳香烴，脂肪烴主要有戊烷、正己烷、庚烷或環(huán)己烷，芳香烴主要有苯、甲苯或二甲苯；其用量范圍為1～25毫克/分鐘·平方厘米。
如上所述的氬氣流量范圍為30～240毫升/分鐘·平方厘米。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)1、設(shè)備簡(jiǎn)單，易于操作。
2、制備的碳微米管的長(zhǎng)度長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)獨(dú)特。
3、重復(fù)性好。
圖面說明

圖1是本發(fā)明制備的碳微米管的局部掃描電鏡圖片，由圖1知，碳管的直徑在120～150微米范圍內(nèi)，稍有彎曲。
圖2是本發(fā)明制備的碳微米管的斷口掃描電鏡圖片。由圖2可以清楚地看到，碳管的管壁厚度約為25微米，內(nèi)徑約70微米，管壁呈多孔結(jié)構(gòu)。
圖3是本發(fā)明制備的碳微米管外壁局部放大的高倍數(shù)掃描電鏡圖片。由該圖可以看到，該碳管的管壁是由直徑為數(shù)十納米的碳顆粒通過自組織形式形成的，顆粒之間有一些大小不一的空隙，空隙的尺寸范圍為數(shù)十納米到數(shù)百納米。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1稱0.1克二茂鐵，放入一個(gè)寬度為3厘米，長(zhǎng)度為6厘米的瓷舟中，并加熱到110℃。
將反應(yīng)器在氬氣氛下升溫到950℃，然后，用氬氣將氣化后的二茂鐵和己烷帶入反應(yīng)器的恒溫區(qū)。其中，二茂鐵的流量為0.03毫克/分鐘·平方厘米；己烷的流量為15毫克/分鐘·平方厘米；氬氣的流量為80毫升/分鐘·平方厘米。在950℃反應(yīng)3小時(shí)，關(guān)掉反應(yīng)氣，在氬氣流中冷卻至室溫，即可得到長(zhǎng)度約3厘米，直徑為80微米的碳微米管。
實(shí)施例2稱0.5克二茂鐵，放入一個(gè)寬度為3厘米，長(zhǎng)度為6厘米的瓷舟中，并加熱到150℃。
將反應(yīng)器在氬氣氛下升溫到1200℃，然后，用氬氣將氣化后的二茂鐵和苯帶入反應(yīng)器的恒溫區(qū)。其中，二茂鐵的流量為0.13毫克/分鐘·平方厘米；苯的流量為5毫克/分鐘·平方厘米；氬氣的流量為160毫升/分鐘·平方厘米。在1200℃反應(yīng)5小時(shí)，關(guān)掉反應(yīng)氣，在氬氣流中冷卻至室溫，即可得到長(zhǎng)度約6厘米，直徑為120微米的碳微米管。
實(shí)施例3稱0.4克二茂鎳，放入一個(gè)寬度為3厘米，長(zhǎng)度為6厘米的瓷舟中，并加熱到180℃。
將反應(yīng)器在氬氣氛下升溫到1100℃，然后，用氬氣將氣化后的二茂鎳和甲苯帶入反應(yīng)器的恒溫區(qū)。其中，二茂鎳的流量為0.12毫克/分鐘·平方厘米；甲苯的流量為5毫克/分鐘·平方厘米氬氣的流量為120毫升/分鐘·平方厘米。在1100℃反應(yīng)4小時(shí)，關(guān)掉反應(yīng)氣，在氬氣流中冷卻至室溫，即可得到長(zhǎng)度約4厘米，直徑為80微米的碳微米管。
實(shí)施例4稱0.2克二茂鈷，放入一個(gè)寬度為3厘米，長(zhǎng)度為6厘米的瓷舟中，并加熱到200℃。
將反應(yīng)器在氬氣氛下升溫到1200℃，然后，用氬氣將氣化后的二茂鈷和二甲苯帶入反應(yīng)器的恒溫區(qū)。其中，二茂鈷的流量為0.08毫克/分鐘·平方厘米；二甲苯的流量為15毫克/分鐘·平方厘米；氬氣的流量為200毫升/分鐘·平方厘米。在1200℃反應(yīng)3小時(shí)，關(guān)掉反應(yīng)氣，在氬氣流中冷卻至室溫，即可得到長(zhǎng)度為2厘米的碳微米管。
實(shí)施例5稱0.8克二茂鐵，放入一個(gè)寬度為3厘米，長(zhǎng)度為6厘米的小瓷舟中，并加熱到150℃。
將反應(yīng)器在氬氣氛下升溫到1150℃，然后，用氬氣將氣化后的二茂鐵和環(huán)己烷帶入反應(yīng)器的恒溫區(qū)。其中，二茂鈷的流量為0.58毫克/分鐘·平方厘米；環(huán)己烷二甲苯的流量為20毫克/分鐘·平方厘米；氬氣的流量為240毫升/分鐘·平方厘米。在1150℃反應(yīng)2小時(shí)，關(guān)掉反應(yīng)氣，在氬氣流中冷卻至室溫，即可得到長(zhǎng)度為4厘米的碳微米管。
權(quán)利要求
1.一種由納米碳顆粒形成的碳微米管，其特征在于碳微米管的外徑為50～200微米，管壁厚度為10～30微米，長(zhǎng)度為2～10厘米，其中碳微米管的管壁由直徑為60～70納米的包含金屬的碳顆粒通過自組裝形式構(gòu)成的。
2.如權(quán)利要求1所述的一種由納米碳顆粒形成的碳微米管的制備方法，其特征在于包括如下步驟用氬氣將催化劑和烴類溶劑一起帶入到溫度為900～1200℃的反應(yīng)器中，反應(yīng)3～6小時(shí)，關(guān)掉反應(yīng)氣，在保護(hù)氣氛下降至室溫，即可在熱電偶端頭的樹狀碳的末端得到碳微米管。
3.如權(quán)利要求2所述的一種由納米碳顆粒形成的碳微米管的制備方法，其特征在于所述的催化劑包括二茂鐵、二茂鎳或二茂鈷，其用量范圍為0.01～0.5毫克/分鐘·平方厘米。
4.如權(quán)利要求2所述的一種由納米碳顆粒形成的碳微米管的制備方法，其特征在于所述的烴類包括脂肪烴和芳香烴。
5.如權(quán)利要求4所述的一種由納米碳顆粒形成的碳微米管的制備方法，其特征在于所述的脂肪烴是戊烷、正己烷、庚烷或環(huán)己烷。
6.如權(quán)利要求4所述的一種由納米碳顆粒形成的碳微米管的制備方法，其特征在于所述的芳香烴是苯、甲苯或二甲苯；其用量范圍為1～25毫克/分鐘·平方厘米。
7.如權(quán)利要求2所述的一種由納米碳顆粒形成的碳微米管的制備方法，其特征在于所述的氬氣流量范圍為30～240毫升/分鐘·平方厘米。
全文摘要
一種由納米碳顆粒形成的碳微米管，其特征在于碳微米管的外徑為50～200微米，管壁厚度為10～30微米，長(zhǎng)度為2～10厘米，其中碳微米管的管壁由直徑為60～70納米的包含金屬的碳顆粒通過自組裝形式構(gòu)成的。采用將催化劑和有機(jī)烴類在氬氣流中進(jìn)行熱解，即先將催化劑前軀體加熱使之緩慢氣化，然后用氬氣和烴類的混合氣體將氣化了的催化劑帶入到高溫反應(yīng)器中進(jìn)行熱解，形成碳微米管。本發(fā)明具有設(shè)備簡(jiǎn)單，易于操作，重復(fù)性好，制備的碳微米管的長(zhǎng)度長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)C01B31/02GK1597503SQ20041001252
公開日2005年3月23日 申請(qǐng)日期2004年9月16日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月16日
發(fā)明者郭向云, 劉振宇, 靳國(guó)強(qiáng) 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所