[发明专利]一种高效提纯化学气相沉积法制备的单壁碳纳米管的方法

说明书

技术领域

本发明涉及单壁碳纳米管领域，具体为化学气相沉积法制备的单壁碳纳米管的高效、简单、可工业化的提纯方法。

背景技术

单壁碳纳米管自1993年被发现以来，因其独特的结构而具有奇异的物理化学特性和优异的电学和力学性能，在纳米电子元件、场发射以及复合材料等领域具有广阔的应用前景。所有这些诱人的应用前景是以高纯、大量、廉价的单壁碳纳米管的获得为前提的。传统制备单壁碳纳米管的三种方法中(化学气相沉积法、电弧法、激光蒸发法)，化学气相沉积法因其简单、大量、廉价且可规模化等特点得到人们的青睐。然而目前化学气相沉积法制备的单壁碳纳米管的纯度还比较低，因此寻找一种简单、高效、可工业化的提纯化学气相沉积法制备的单壁碳纳米管的方法成为制约单壁碳纳米管工业化应用的瓶颈。

自单壁碳纳米管被发现开始，单壁碳纳米管的提纯工作一直是科学工作者们的主要研究方向之一，尤其是化学气相沉积法制备的单壁碳纳米管的提纯工作。现有的提纯化学气相沉积法制备的单壁碳纳米管的方法主要分为化学法、物理法及物理和化学相结合的方法(文献1，Chiang IW，Brinson BE，Huang AY，Willis PA，Bronikowski MJ，Margrave JL，et al.J Phys Chem B105(35)：8297-301(2001)；文献2，Hou PX，Bai S，Yang QH，Liu C，Cheng HM.Carbon 40(1)：81-5(2002))。化学法因提纯过程简单、提纯量大且可规模化等特点受到人们的关注，该方法的主要问题是：在去除无定形炭等杂质的过程中，碳纳米管的本征结构也被破坏。另外，由于化学气相沉积法制备单壁碳纳米管的过程中可变条件非常多，因此不同条件及不同批次生产出的单壁碳纳米管的质量、纯度都不一样。而目前报道的诸多化学提纯方法只分别适用于各研究者所研究的单壁碳纳米管，对不同条件或不同批次的样品难以实现对提纯后单壁碳纳米管纯度和产率的同时保证。

发明内容

本发明的目的在于提供一种普适、高效提纯化学气相沉积法制备的单壁碳纳米管的方法，并不破坏单壁碳纳米管的本征结构，解决了目前对不同条件及不同批次化学气相沉积法制备的单壁碳纳米管的提纯方法中，提纯产率和纯度无法同时保证等问题。

另外，本发明还解决了目前制约单壁碳纳米管的工业化应用所遇到的瓶颈问题。

本发明的技术方案是：

一种高效提纯化学气相沉积法制备的单壁碳纳米管的方法，将化学气相沉积法制备的单壁碳纳米管均匀置于水平加热炉内，在空气气氛及无定形炭快速氧化温度下，进行长时间(5-20h)氧化；将氧化后的样品浸泡于盐酸溶液中去除催化剂颗粒并用去离子水多次清洗。干燥后，可得到纯净的单壁碳纳米管样品。

本发明为普适、高效的提纯化学气相沉积法制备的单壁碳纳米管的方法，在不破坏单壁碳纳米管本征结构的前提下，可同时实现对单壁碳纳米管的提纯产率(＞90wt％)和纯度(＞98wt％)的精确控制。

本发明中，无定形炭的氧化温度由该批样品的热重曲线确定，具体如下：

将少量不同条件或不同批次制备的单壁碳纳米管(～3mg)先进行热重/差热分析实验，从该实验曲线可定隆地分析出无定形炭的快速氧化温度(一般为270-400℃)，并能定量地分析出无定形炭、碳纳米管及金属催化剂的含量。把大量该种单壁碳纳米管样品均匀放置于水平加热炉内，在热重/差热分析实验确定的无定形炭集中氧化的温度下，长时间氧化(5-20h)，待炉体温度冷却到室温后，将样品取出，置于盐酸溶液中浸泡去除催化剂粒子，清洗多次，直至盐酸溶液不再变色为止，并用去离子水清洗多次，直至pH为7；真空干燥，最后可得到纯度＞98wt％，产率＞90wt％的单壁碳纳米管样品(只计算单壁碳纳米管的产率)。

所述盐酸溶液的温度为60-100℃，浓度为15-35wt％。

所述提纯后单壁碳纳米管的纯度根据热重/差热曲线定量计算，而碳纳米管的本征结构是否破坏也是根据热重/差热曲线定性得到(提纯前后单壁碳纳米管的氧化峰位不变)。

所述产率是指提纯前后单壁碳纳米管的重量比，根据下式计算得到：

{(提纯后单壁碳纳米管样品的重量*(根据热重/差热曲线定量得到的提纯后样品中单壁碳纳米管的重量百分比)}/{(原始单壁碳纳米管样品的重量*(根据热重/差热曲线定量得到的原始样品中单壁碳纳米管的重量百分比)}。(公式1)

所述的具体氧化时间根据原始样品中无定形炭的含量多少来确定。