[发明专利]一种碳纳米管和碳微米管的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及碳管材料领域，尤其涉及一种含氮空心竹节状碳纳米管和碳微米管的制备方法。

背景技术

碳纳米管作为一维纳米材料，重量轻，六边形结构连接完美，具有许多异常的力学、电学和化学性能。近些年随着碳纳米管及纳米材料研究的深入，其广阔的应用前景也不断地展现出来。

氢气被很多人视为未来的清洁能源。但是氢气本身密度低，压缩成液体储存又十分不方便。碳纳米管自身重量轻，具有空心的结构，可以作为储存氢气的优良容器，储存的氢气密度甚至比液态或固态氢气的密度还高。适当加热，氢气就可以慢慢释放出来。研究人员正在试图用碳纳米管制作轻便的可携带式的储氢容器。

在碳纳米管的内部可以填充金属及其氧化物等物质，这样碳纳米管可以作为模具，首先用金属等物质灌满碳纳米管，再把碳层腐蚀掉，就可以制备出最细的纳米尺度的导线，或者全新的一维材料，在未来的分子电子学器件或纳米电子学器件中得到应用。有些碳纳米管本身还可以作为纳米尺度的导线。这样利用碳纳米管或者相关技术制备的微型导线可以置于硅芯片上，用来生产更加复杂的电路。碳纳米管的表面及内部还能附着催化剂等物质，增加其表面积，可以大大的提高其催化及反应活性。

利用碳纳米管的性质可以制作出很多性能优异的复合材料。例如用碳纳米管材料增强的塑料力学性能优良、导电性好、耐腐蚀、屏蔽无线电波。使用水泥做基体的碳纳米管复合材料耐冲击性好、防静电、耐磨损、稳定性高，不易对环境造成影响。碳纳米管增强陶瓷复合材料强度高，抗冲击性能好。碳纳米管上由于存在五元环的缺陷，增强了反应活性，在高温和其他物质存在的条件下，碳纳米管容易在端面处打开，形成一个管子，极易被金属浸润、和金属形成金属基复合材料。这样的材料强度高、模量高、耐高温、热膨胀系数小、抵抗热变性能强。

碳纳米管还给物理学家提供了研究毛细现象机理最细的毛细管，给化学家提供了进行纳米化学反应最细的试管。碳纳米管上极小的微粒可以引起碳纳米管在电流中的摆动频率发生变化，利用这一点，科学家发明了“纳米秤”，能够称量单个病毒的质量。随后德国科学家研制出能称量单个原子的“纳米秤”。

碳纳米管由于其具有独特的纳米微观结构及形貌，可更加有效地提高碳负极材料的可逆嵌锂容量和循环寿命，从而成为新一代高性能化学电源的崭新材料。碳纳米管主要由于管径(或晶粒)为纳米级尺寸，管与管（或晶粒与晶粒）之间相互交错的缝隙也是纳米数量级，使其具有优越的嵌锂特性，锂离子不仅可嵌入到管内各管径间、管芯(如碳纳米管)，而且可嵌入到管间(或晶粒间)的缝隙之中，为锂离子提供了大量的嵌入空间位置，从而有利于提高锂离子电池的充放电容量、循环寿命及电流密度。由于碳纳米管具有传统碳质材料无法比拟的高比容量，已成为新一代锂离子电池负极材料的研究重点。但碳纳米管作为锂离子电池的负极活性物质时，存在电压滞后现象和较大的不可逆容量损失，此外，其充放电电位平台不是很明显。

随着碳纳米管的深入研究，越来越多的新奇形貌的碳纳米管被发现，例如竹节状、圆锥状、树枝状和Y形等。竹节状碳纳米管由一系列分离的空心间隔构成，由于这种独特的结构，其具有独特的电子学性质，可以作为很好的电极材料，并且具有很多潜在的应用价值。

目前常用的碳纳米管制备方法主要有：电弧放电法、激光烧蚀法、化学气相沉积法（碳氢气体热解法），固相热解法、辉光放电法和气体燃烧法等以及聚合反应合成法。这些方法工艺复杂，且成本高、产量低。目前还没有简便易行、成本低廉且产量高的方法来制备碳纳米管。因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种碳纳米管和碳微米管的制备方法，旨在解决现有技术中制备碳管工艺复杂，且成本高、产量低的问题。

本发明的技术方案如下：

一种碳纳米管的制备方法，其中，包括以下步骤：

S100、将自制的液态丙烯腈低聚物溶液在100~200℃下搅拌100-200小时，形成微环化的丙烯腈低聚物溶液；

S200、将一定量的微环化的丙烯腈低聚物溶液在200~300℃下热处理1-10小时，形成具有一定梯形结构的热氧化的聚丙烯腈低聚物；

S300、将热氧化的聚丙烯腈低聚物进行研磨，过筛，室温干燥得到热氧化前躯体；

S400、把热氧化前躯体在惰性气氛保护下，气体流量为10~500ml/min，400~1000 ℃煅烧1-24小时，得到低温碳化前驱体；