[发明专利]一种无金属残留碳纳米管的连续制备方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米技术领域，具体是涉及碳纳米管，特别是指一种无金属残留碳纳米管的连续制备方法。

背景技术

碳纳米管由于其独特的结构、优良的性能和潜在的应用前景而受到广泛研究。碳纳米管的制备是其性能研究和应用的基础和前提。为了合成碳纳米管，研究人员开发了多种技术，如电弧法、激光蒸发法和化学气相沉积法等。其中，化学气相沉积法是最广泛使用的制备方法。在化学气相沉积法制备碳纳米管过程中，催化剂是必不可少的。Fe、Co、Ni及其合金等金属催化剂能有效催化生长碳纳米管，目前被广泛用于制备碳纳米管[参见Danafara F. et al. Chem. Eng. J. 2009, 155: 37-48; Zarabadi-Poor P. et al. Cata. Today 2010, 150: 100-106]。在金属催化剂催化生长碳纳米管过程中，不可避免地会有金属颗粒被包覆于碳纳米管中。即便使用强酸和强碱纯化，也无法去除被碳层包覆的金属催化剂[参见Pumera M. Langmuir 2007, 23: 6453-6458]。

这些残留在碳纳米管内部的金属颗粒，对碳纳米管的化学性能、电、磁性能以及热稳定性等都产生了不良影响，进而影响了碳纳米管本征性能的研究和应用。例如残留在碳纳米管中的金属催化剂会影响碳纳米管的稳定性，增加碳纳米管的化学反应性，同时也使碳纳米管具有一定的毒性[参见Brukh R. et al. Chem. Phys. Lett. 2008, 459: 149-152; Nel A. et al. Science 2006, 311: 622-627; Smart S. K. et al. Carbon 2006, 44: 1034-1047]。

2007年，Takagi等首先采用半导体SiC、Ge和Si作为催化剂成功制备了碳纳米管[参见Takagi D. et al. Nano Lett., 2007, 7(8), 2272-2275]。随后，该研究组开发了不同的非金属催化剂如金刚石和Al₂O₃等来制备碳纳米管[参见Liu H. et al. Appl. Phys. Express, 2008, 1: 014001/1-3; Takagi D. et al. J. Am. Chem. Soc., 2009, 131: 6922-6923; Liu H. et al. J. Nanosci. Nanotechnol., 2010, 10: 4068-4073; Liu H. et al. Carbon, 2010, 48: 114-122]。2009年以来，SiO₂、ZrO₂、以及石墨也被发现可催化生长碳纳米管[参见Huang S. et al. J. Am. Chem. Soc., 2009, 131(6): 2094-2095; Liu B. et al. J. Am. Chem. Soc., 2009, 131(6): 2082-2083; Steiner III S. A. et al. J. Am. Chem. Soc., 2009, 131: 12144-12154; Lin J. H. et al. Chem. Mater., 2011, 23: 1637-1639]。其中，由于与现有的硅技术具备良好的兼容性，采用SiO₂作为催化剂制备碳纳米管格外受到关注[参见中国专利，公开号CN102020262A]。采用非金属催化剂制备的碳纳米管中没有金属残留，对碳纳米管的本征性能表征和应用研究意义重大。

尽管现有的技术能制备无金属残留的碳纳米管，但是这些制备方法复杂，产率低，不能进行宏量制备，严重限制了基于无金属残留碳纳米管的基础研究和应用开发。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术存在的缺点和不足，而提供一种可连续生产、生产效率高的一种无金属残留碳纳米管的连续制备方法。

    为实现上述目的，本发明的技术方案是于包括以下步骤：

  （1）以倍半硅氧烷为催化剂前驱体，并将其溶于有机溶剂，制备包含倍半硅氧烷的溶液，所述的倍半硅氧烷为含有RSiO_1.5结构的物质，其分子中O ：Si =1.5：1，R为取代基；

 （2）将溶液中倍半硅氧烷在700-950℃温度条件下分解为纳米级SiO₂，以纳米级SiO₂为催化剂，有机溶剂为碳源制备碳纳米管。