一種直線型碳納米管的合成方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于化學(xué)和功能材料領(lǐng)域，涉及碳納米管的合成方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，碳納米管的主要制造方法是:直流電弧法、激光燒蝕法和化學(xué)氣相沉積法。直流電弧法和激光燒蝕法無法實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)(克量級(jí))，只能少量滿足實(shí)驗(yàn)室研宄的需要，不適用于工業(yè)化生產(chǎn)，而化學(xué)氣相沉積法可以制備工業(yè)使用量級(jí)的碳納米管。
[0003]傳統(tǒng)化學(xué)氣相沉積法生產(chǎn)的碳納米管形貌彎曲，互纏繞、純度和結(jié)晶度不高，使得碳納米管本身的結(jié)構(gòu)性能欠佳，同時(shí)難于分散，阻礙了其在工業(yè)中的應(yīng)用。圖1、圖2顯示出，傳統(tǒng)碳納米管的微觀形貌圖。參照?qǐng)D1、圖2可以看出碳納米管存在著大量的彎曲和纏繞現(xiàn)象。因此，從根本上解決碳納米管生長(zhǎng)過程中的彎曲和團(tuán)聚，就顯得尤為關(guān)鍵。
[0004]碳納米管合成的反應(yīng)器是決定碳納米管形貌的重要因素，由于碳納米管的特殊的生長(zhǎng)模式，若采用固定反應(yīng)床、移動(dòng)反應(yīng)床等合成方法，碳納米管在生長(zhǎng)過程中，內(nèi)部應(yīng)力得不到釋放，阻礙碳納米管生長(zhǎng)，容易導(dǎo)致進(jìn)一步的團(tuán)聚。因此，碳納米管的生長(zhǎng)反應(yīng)器必須提供充分的生長(zhǎng)空間。在碳納米管形成的過程中，反應(yīng)爐的溫度、氣氛都對(duì)碳納米管的形貌和品質(zhì)產(chǎn)生著重要影響，反應(yīng)爐內(nèi)的氣流導(dǎo)向也對(duì)碳納米管的生長(zhǎng)有著導(dǎo)向的作用。因此，在碳納米管合成過程中，對(duì)于這一系列參數(shù)的控制決定了碳納米管的形貌和品質(zhì)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，通過控制碳納米管的生長(zhǎng)條件，提出一種直線型碳納米管的合成方法。
[0006]本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。
[0007]本發(fā)明所述的合成方法，按如下步驟。
[0008](I)將顆粒在20~300微米之間的二茂鐵按重量體積(g/ml)比為1: 10-50溶解于苯溶液，經(jīng)磁力攪拌至充分溶解后，過濾去除不能溶解的顆粒。
[0009](2)將配置好的二茂鐵-苯溶液使用3~6孔霧化器，以氫為載體從立式合成爐頂部噴射注入到合成爐中，同時(shí)從合成爐頂部注入氮?dú)庹{(diào)節(jié)爐內(nèi)氣氛。其中氫氣和氮?dú)獾耐ㄈ雺簭?qiáng)分別控制在0.1-0.6MPa和0.1-0.6MPa，兩者的流速比維持在2:1。
[0010]立式合成爐碳納米管生長(zhǎng)區(qū)的溫度控制在1200°C ~1400°C，并保持由上至下的溫度梯度依次為:900°C -1200°CU200°C -1400°C^900°C ~1200°C。
[0011]直線型碳納米管是一種一維結(jié)構(gòu)的高結(jié)晶度碳納米管。本發(fā)明放棄傳統(tǒng)碳納米管合成工藝中使用固體催化劑并且催化劑保持靜止不動(dòng)的工藝，通過提高和控制催化劑顆粒運(yùn)動(dòng)速度來生產(chǎn)直線型碳納米管。本發(fā)明的另一個(gè)特點(diǎn)是，對(duì)比傳統(tǒng)工藝，本發(fā)明的碳納米管的生產(chǎn)工藝，碳納米管的生產(chǎn)效率大幅提高，直線型碳納米管的合成可在5-10秒鐘的時(shí)間內(nèi)完成，而傳統(tǒng)工藝合成碳納米管至少需要1-2小時(shí)的時(shí)間才能完。
[0012]本發(fā)明工藝簡(jiǎn)單，原料來源廣泛，生產(chǎn)效率高，適用大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。
[0013]本發(fā)明所述的碳納米管:用作鋰離子電池的導(dǎo)電添加劑；用于制造碳納米管導(dǎo)電薄膜；用于制造電磁屏蔽和吸波材料；用作鋰離子電池的正負(fù)極和集流極；用于場(chǎng)發(fā)射顯示器發(fā)射極。
【附圖說明】
[0014]圖1為傳統(tǒng)碳納米管的SEM圖。
[0015]圖2為傳統(tǒng)碳納米管的TEM圖。
[0016]圖3為本發(fā)明合成直線型碳納米管SEM圖。
[0017]圖4為本發(fā)明合成直線型碳納米管TEM圖。
[0018]圖5為本發(fā)明合成直線型碳納米管的TGA圖譜。其中，橫坐標(biāo)為tempcel (攝氏度)，左邊縱坐標(biāo)為DTA ( μ V)(差熱分析)，右邊縱坐標(biāo)為TG (%)(熱重分析)。
[0019]圖6為本發(fā)明合成直線型碳納米管的XRD圖譜。
【具體實(shí)施方式】
[0020]本發(fā)明將通過以下實(shí)施例作進(jìn)一步說明。
[0021]實(shí)施例1。
[0022]I)取10克顆粒大小在100~200微米之間的二茂鐵溶解在300毫升苯溶液中，過濾后備用。
[0023]2)將上述配制好的二茂鐵-苯溶液用蠕動(dòng)泵注入到霧化器中，同時(shí)將氫氣和氮?dú)夥謩e以0.2MPa和0.2MPa的壓強(qiáng)，流速24L/min和12L/min導(dǎo)入3孔霧化器。
[0024]3)霧化后的溶液噴射注入溫度梯度由上至下為1000°C，1300°C，1000°C的立式合成爐中合成碳納米管。
[0025]4)合成的碳納米管在合成爐的底部沉積，冷卻后取出。
[0026]實(shí)施例2。
[0027]I)取10克顆粒大小在200~300微米之間的二茂鐵溶解在100毫升苯溶液中，過濾后備用。
[0028]2)將上述配制好的二茂鐵-苯溶液用蠕動(dòng)泵注入到霧化器中，同時(shí)將氫氣和氮?dú)夥謩e以0.1MPa和0.3MPa的壓強(qiáng)，流速12L/min和6L/min導(dǎo)入6孔霧化器。
[0029]3)霧化后的溶液噴射注入溫度梯度由上至下為900°C，1200°C，900°C的立式合成爐中合成碳納米管。
[0030]4)合成的碳納米管在合成爐的底部沉積，冷卻后取出。
[0031]實(shí)施例3。
[0032]I)取10克顆粒大小在50~100微米之間的二茂鐵溶解在400毫升苯溶液中，過濾后備用O
[0033]2)將上述配制好的二茂鐵-苯溶液用蠕動(dòng)泵注入到霧化器中，同時(shí)將氫氣和氮?dú)夥謩e以0.2MPa和0.3MPa的壓強(qiáng)，流速18L/min和9L/min導(dǎo)入5孔霧化器。
[0034]3)霧化后的溶液噴射注入溫度梯度由上至下為1100°C，1400°C，1100°C的立式合成爐中合成碳納米管。
[0035]4)合成的碳納米管在合成爐的底部沉積，冷卻后取出。
[0036]實(shí)施例4。
[0037]I)取10克顆粒大小在200~300微米之間的二茂鐵溶解在300毫升苯溶液中，過濾后備用。
[0038]2)將上述配制好的二茂鐵-苯溶液用蠕動(dòng)泵注入到霧化器中，同時(shí)將氫氣和氮?dú)夥謩e以0.1MPa和0.2MPa的壓強(qiáng)，流速28L/min和14L/min導(dǎo)入4孔霧化器。
[0039]3)霧化后的溶液噴射注入溫度梯度由上至下為1000°C，1400°C，1000°C的立式合成爐中合成碳納米管。
[0040]4)合成的碳納米管在合成爐的底部沉積，冷卻后取出。
[0041]合成材料對(duì)比:圖1、圖2為傳統(tǒng)碳納米管的SEM、TEM圖，圖中可以看出碳納米管存在團(tuán)聚和纏繞，圖3、圖4為本方法合成碳納米管的SEM、TEM圖，圖中可以看出碳納米管為直線型，管徑光滑、均勻，原子排列致密。圖5為本方法合成直線型碳納米管的TGA曲線，圖中可以看出直線型碳納米管的純度為99.8%。圖6為本方法合成直線型碳納米管的XRD圖譜，圖中可以看出碳納米管的(002)峰尖銳而狹窄，碳納米管的石墨化程度已達(dá)到97.25%，具有很尚的結(jié)晶度。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種直線型碳納米管的合成方法，其特征是按如下步驟: (1)將顆粒在20~300微米之間的二茂鐵按重量體積(g/ml)比為1: 10-50溶解于苯溶液，經(jīng)磁力攪拌至充分溶解后，過濾去除不能溶解的顆粒； (2)將配置好的二茂鐵-苯溶液使用3~6孔霧化器，以氫為載體從立式合成爐頂部噴射注入到合成爐中，同時(shí)從合成爐頂部注入氮?dú)庹{(diào)節(jié)爐內(nèi)氣氛，其中氫氣和氮?dú)獾耐ㄈ雺簭?qiáng)分別控制在0.1-0.6MPa和0.1-0.6MPa，兩者的流速比維持在2:1 ； 立式合成爐碳納米管生長(zhǎng)區(qū)的溫度控制在1200°C ~1400°C，并保持由上至下的溫度梯度依次為:900 0C ?1200 °C、1200。。-1400 °C > 900 °C -1200 °C ο
【專利摘要】一種直線型碳納米管的合成方法，按如下步驟：（1）將顆粒在20~300微米的二茂鐵按重量體積（g/ml）比１:10~50充分溶解溶于苯溶液；（2）將二茂鐵-苯溶液使用3~6孔霧化器，以氫為載體從立式合成爐頂部噴射到合成爐中，同時(shí)從合成爐頂部注入氮?dú)?，氫氣和氮?dú)獾耐ㄈ雺簭?qiáng)分別控制在0.1~0.6MPa和0.1~0.6MPa，流速比2:1；立式合成爐碳納米管生長(zhǎng)區(qū)的溫度控制在1200℃~1400℃，并保持由上至下的溫度梯度依次為：900℃~1200℃、1200℃~1400℃、900℃~1200℃。本發(fā)明通過提高和控制催化劑顆粒運(yùn)動(dòng)速度來生產(chǎn)直線型碳納米管。本發(fā)明工藝簡(jiǎn)單，原料來源廣泛，生產(chǎn)效率高，適用大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。
【IPC分類】C01B31/02, B82Y40/00
【公開號(hào)】CN104891472
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510235071
【發(fā)明人】孫曉剛, 龐志鵬, 岳立福, 吳小勇, 聶艷艷, 劉珍紅
【申請(qǐng)人】南昌大學(xué)
【公開日】2015年9月9日
【申請(qǐng)日】2015年5月11日