[发明专利]一种低纯度单壁碳纳米管的提纯方法

说明书

技术领域

本发明属于碳纳米管工艺技术领域，尤其是涉及一种低纯度单壁碳纳米管的提纯方法。

背景技术

碳纳米管(Carbon Nanotubes，CNTs)是由二维石墨烯片弯曲形成的一种新型中空管状纳米结构，是除石墨、金刚石、富勒烯外碳的第四种重要的同素异形体。多壁碳纳米管(Multi-walled carbon nanotubes，MWNTs)是由饭岛澄男教授(Iijima)于1991年在电弧放电阴极沉积物中首次发现的，尤其是两年后单壁碳纳米管(Single-walled carbon nanotubes，SWNTs)的发现引起了包括物理、化学和材料科学等诸多领域的广泛关注。

直流电弧放电法是一种高质量SWNTs的高效制备技术，所制备的SWNTs具有结晶度高、缺陷少、电子迁移率高等优点，但该制备技术也明显的缺点，也即所制备的SWNTs纯度不高，产物中存在较多的无定形碳、石墨粒子、催化剂以及包裹有催化剂粒子的碳颗粒等等杂质。因此对SWNTs产物进行提纯处理是将SWNTs广泛应用的前提步骤。目前常见的碳管提纯法可分为三大类：1.化学法：包括气相法(空气、Cl₂处理)，液相法(HNO₃，H₂O₂，混酸、KMnO₄等处理)等；2.物理法：包括过滤、离心分离、高温煅烧、色谱分析法等；3.综合法：过滤-氧化-超声-离心分离结合，过滤/磁过滤-氧化-煅烧结合等方法。这些方法虽然可以得到纯度较高的SWNTs，但存在SWNTS结构破坏严重、提纯效率低、提纯周期长等缺点。尤其是在提纯度SWNTs方面，使用现有提纯技术很难实现SWNTs有效地提纯。因此，针对低纯度SWNTs的提纯，需要开发一种切实可行的提纯工艺，既能够得到高纯度的SWNTs，又要避免SWNTS本身结构遭到严重破坏。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种对SWNTs结构破坏较小的低纯度单壁碳纳米管的提纯方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种低纯度单壁碳纳米管的提纯方法，包括以下步骤：

(1)将低纯度单壁碳纳米管经空气氧化处理后与表面活性剂混合超声分散，一方面去除制备过程中所产生的无定形碳；另一方面将催化剂氧化形成其氧化物，增加催化剂粒子质量；

(2)对分散均匀的单壁碳纳米管溶液分别进行低速、超声分散-高速离心分离，分别去除包括催化剂氧化物、大石墨粒子等杂质以及小石墨粒子等杂质；

(3)将高速离心后的上清液压滤后与双氧水混合并加热回流；

(4)将单壁碳纳米管溶液抽滤至中性、干燥即得到纯单壁碳纳米管。

步骤(1)中所述的空气氧化处理为将含有单壁碳纳米管的电弧放电产物放入空气炉中，在360～450℃下氧化处理30～60min。

步骤(1)中所述的表面活性剂为十二烷基硫酸钠(SDS)、十二烷基苯磺酸钠(SDBS)或市售的曲拉通X-100。

步骤(1)中所述的超声分散处理为在功率为3W/mL条件下超声分散30～60min。

步骤(1)中所述的低纯度单壁碳纳米管在表面活性剂的含量为1～2wt％。

步骤(2)中所述的低速离心分离为6000～9000rpm离心分离30～60min。

步骤(2)中所述的超声分散-高速离心分离为先对低速离心后的上清液超声分散10～20min，然后再进行12000～14000rpm离心分离30～60min。

步骤(3)中所述的上清液压滤后与双氧水混合后在100℃回流4～8h。

与现有技术相比，本发明在提纯过程中无需利用盐酸去除催化剂而造成废液污染，而是利用催化剂氧化后增重更有利于离心分离，最终将其去除。其次，由于提纯过程中以离心分离为主，辅助弱氧化剂(H₂O₂)氧化，因此提纯过程对SWNTs的结构破坏较小。

附图说明

图1为本发明的纯工艺流程图；

图2为实施例1中提纯前单壁碳纳米管的扫描电镜图片；

图3为实施例1中提纯后单壁碳纳米管的扫描电镜图片；

图4为实施例1中提纯前单壁碳纳米管的透射电镜图片；

图5为实施例1中提纯后单壁碳纳米管的透射电镜图片；

图6为实施例1中离心时所得到单壁碳纳米管的扫描电镜图片；