[发明专利]碳纳米管或磁性纳米碳球的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米材料制备技术领域，特别涉及碳纳米管或磁性纳米碳球的制备方法。 

背景技术

自从1991年日本Iijima发现碳纳米管以来，碳纳米管由于其优越的性能及其在电子器件、热管理器件、复合材料、高性能电池等中和作为吸附剂、储存介质(如储氢介质)、催化剂载体等的应用前景引起了广泛的关注和研究。目前，制备碳纳米管和纳米碳球的主要方法是化学气相沉积(CVD)、电弧放电等方法。这些方法由于自身的局限性，只能制备少量的碳纳米管，且成本高昂，大大限制了碳纳米管和纳米碳球的广泛和规模化应用。因此，开发大规模、低成本生产碳纳米管和纳米碳球的新技术仍然是当前亟待解决的问题。 

最近，本发明人和唐涛等人分别利用原位合成的纳米催化剂和预先合成的纳米催化剂，采用聚合物为碳源制备了碳纳米管，为大规模、低成本制备碳纳米管提供了一种可能性。然而，所制备的碳纳米管彼此纠结形成块状体，大小为几十个微米，不利于其直接在相关方面的应用(尽管通过后处理可以使碳纳米管得以分散)。本发明采用同样的反应物，通过改变催化剂前驱体，适时地解决了该问题。研究表明，本发明不仅可以制备分散性好的碳纳米管，而且可以选择性的制备得到磁性纳米碳球。 

发明内容

本发明的目的是提供一种制备方法工艺简单、成本低，并适用于规模化生产的碳纳米管的制备方法，所制备出的碳纳米管的纯度高，且结构稳定性好。 

本发明是以廉价的聚合物、填料、催化剂前驱体等为反应物，通过熔融共混然后于马弗炉中在800～1000摄氏度下加热3～7分钟，取出后用无机酸处理，通过控制加入不同的催化剂前驱体，可以分别得到碳纳米管或磁性纳米碳球。本发明制得的碳纳米管或磁性纳米碳球具有丰富的介孔、较大的比表面积和孔容量，以及具有良好的结构稳定性。 

本发明的碳纳米管的制备方法包括以下步骤： 

(1)取金属盐和二茂铁的混合物，以金属盐和二茂铁的混合物为催化剂前驱体，在密炼机中将金属盐和二茂铁的混合物与聚合物，填料于160～200摄氏度熔融混炼后出料，其中，金属盐和二茂铁的混合物中金属盐与二茂铁的质量比为1∶9～5∶5，每0.5～4克金属盐和二茂铁的混合物，加入24～44克聚合物，2～6克填料； 

(2)将步骤(1)得到的固体混合物放入坩埚中，然后将坩埚置于马弗炉中，在800～1000摄氏度下加热3～7分钟后取出得到黑色固体； 

(3)将步骤(2)得到的黑色固体物加入到浓度为10～30wt％的无机酸中浸泡，然后离心分离，得到黑色固体； 

(4)将步骤(3)得到的产物真空干燥，得到碳纳米管。 

其中，当催化剂选自金属盐时，能够得到磁性纳米碳球产品，当催化剂选自金属盐和二茂铁的混合物时，能够得到碳纳米管产品； 

所述的金属盐是乙酸钴、乙酸镍、乙酸铁、乙酸铜、乙酸锶、乙酸锌、甲酸钴、甲酸镍、甲酸铁、甲酸铜、甲酸锶、甲酸锌、硝酸钴、硝酸镍、硝酸铁、硝酸铜、硝酸锶或硝酸锌； 

所述的聚合物是聚丙烯、聚乙烯、聚丁烯、聚异丁烯、聚戊烯、聚异戊二烯、聚乙烯醇、聚四氟乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、环氧树脂、聚乙烯吡咯烷酮、纤维素、淀粉、木浆、聚丙烯酰胺或聚醋酸乙烯酯； 

所述的填料是有机改性蒙脱士、氧化锆、二氧化硅、二氧化钛、碳酸钙、碳酸钠、高岭土、粘土、改性粘土、云母、氧化锌或氧化铜。 

所述的云母是白云母或金云母。 

步骤(3)所述的黑色固体物在无机酸中的浸泡时间是12～36小时。 

所述的无机酸是氢氟酸、硝酸、硫酸、盐酸、高氯酸或硅酸。 

步骤(4)所述的真空干燥时间是50～70摄氏度，所述的真空干燥时间不小于10小时。 

本发明方法制备得到的中空管状结构的碳纳米管的直径在15～20纳米，外壁由层状石墨碳构成。 

本发明方法制备得到的磁性纳米碳球，其核为钴、镍、铁或这些金属的氧化物纳米粒子，壳为层状石墨碳，纳米球直径在10～20纳米。 

本发明的碳纳米管或磁性纳米碳球可以作为催化剂载体、吸附剂、分离材料、磁性材料或电池的电极材料等。