[发明专利]可去除残留金属的碳纳米管的提纯方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种可去除残留金属的碳纳米管的提纯方法。

背景技术

碳纳米管是由片层结构的石墨卷曲而成的无缝中空的纳米材料，一般可分为由一层石墨卷曲而成的单壁碳纳米管、由两层石墨卷曲而成的双壁碳纳米管和由多层石墨同轴卷曲而成的多壁碳纳米管三种。碳纳米管具有超大的比表面积、较轻的质量但超强的机械强度、优异的导电性、较好的物理和化学稳定性，是一种世人瞩目的新型材料，在锂离子电池导电剂、催化剂载体、药物载体、增强共混材料、电子器件等领域具有广泛的应用前景。

目前碳纳米管已可以通过化学气相沉积(CVD)法批量低成本生产。然而，CVD方法使用的金属催化剂(主要有Fe系、Ni系和Co系等)会残留在碳纳米管中，而且很多都被包覆在碳纳米管的端部。这严重阻碍了碳纳米管在一些对金属杂质要求较高行业的应用，例如在锂离子电池导电剂和精密电子器件方面的应用。现有的碳纳米管提纯方式主要有两种：一种是酸洗提纯法，主要是用盐酸等强酸将残留金属催化剂溶解，然后过滤分离，这种方法只能在一定程度上提纯碳纳米管，难以完全除去碳层包覆较厚的金属催化剂，同时这种方法会产生大量的废酸和废水，造成环境污染；另一种方法是采用高温热处理提纯方法，在2800℃以上对碳纳米管进行热处理，使得这些残留金属催化剂气化，从而达到提纯碳纳米管的目的，这种方法得到的碳纳米管尽管纯度很高，但能耗也很高，同时过高的处理温度将导致碳纳米管中的碳原子发生重排，引起一些不可预期的性质变化。

发明内容

本发明的目的在于针对传统强酸洗涤和高温气化提纯碳纳米管能耗高、污染严重的问题，提出一种操作简单、能耗低、污染小的可去除残留金属的碳纳米管的提纯方法。

为解决上述技术问题，本发明可去除残留金属的碳纳米管的提纯方法，其特征在于：利用氯气的强氧化性，先将碳纳米管中残留的金属催化剂在常温或加热条件下反应生成氯化物，再利用这些金属氯化物的气化温度远比这些金属及其氧化物气化温度低的特点，通过加热使这些氯化物气化与碳纳米管分离，从而达到提纯碳纳米管的目的。

它可以包括下述步骤：

①.将碳纳米管置于容器内，向容器内通入氯气，或通入氯气与氮气或/和一种或几种惰性气体组成的混合气体——以下简称含氯气的混合气体，使氯气与碳纳米管内残余金属催化剂反应，生成金属氯化盐，必要时将容器内碳纳米管加热至T℃，或者将氯气或混合气体预热至T℃，T℃为相应残余金属与氯气反应所需温度。

②.对容器内碳纳米管进行加热，同时继续通以氯气或含氯气的混合气体，使第①生成金属氯化盐从碳纳米管中挥发出来，然后停止通氯气或含氯气的混合气体，对容器进行抽真空或氮气或惰性气体置换，去除未反应的多余氯气，并降至常温，即可得到去除相应残余金属的碳纳米管。

所述碳纳米管为多壁碳纳米管、单壁碳纳米管、双壁碳纳米管中的一种或几种。

所述残留金属催化剂为Fe系、Ni系、Co系、Al系、Mg系、Mo系、La系中的一种或几种。

第②步加热时，加热温度在300～2000℃之间。在第①步通入氯气或含氯气的混合气体之前，先对容器进行抽真空或氮气或惰性气体置换。

在第②步操作停止通氯气或含氯气的混合气体之后，降至室温之前，对容器进行抽真空或氮气或惰性气体置换，去除未反应的多余氯气。

它还可以包括下述步骤：在沸腾炉中通入经过预热的氯气或含氯气的混合气体，然后从投料口分批投入碳纳米管，在收料口处收集碳纳米管，装入样品袋内封好。

投入La系催化剂合成的单壁碳纳米管时，氯气或含氯气的混合气体预热温度为1100℃；投入Mo系催化剂合成的多壁碳纳米管时，氯气或混合气体预热温度为300℃。

本发明中，我们利用氯气的强氧化性可与残留金属催化剂快速反应生成金属氯化物，同时金属氯化物的气化温度远低于这些金属本身及其氧化物气化温度的特点(见表1)，提出一种操作简单、能耗低、污染小的提纯碳纳米管新方法，处理后碳纳米管的纯度高，单项金属杂质含量<20ppm。

表1.CVD方法制备碳纳米管常用金属催化剂及气化温度情况。

本发明提出的氯气高温提纯碳纳米管的新方法，具体为先在常温或加热条件下让氯气与碳纳米管中残留的金属催化剂反应生成金属氯化物，再根据所要除去金属催化剂的种类选择不同温度来处理，使氯化物气化，与碳纳米管分离，达到提纯碳纳米管的目的。本发明方法简单，产能易放大，污染小，提纯效果好，适合去除各种碳纳米管中的多种残余金属。

具体实施方式