[发明专利]一种磁性碳纳米管的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于碳纳米管技术领域，特别涉及纳米氮化铁的制备技术。

背景技术

碳纳米管(CNTs)，包括多壁碳纳米管(MWNTs)和单壁碳纳米管(SWNTs)，自1991年发现其独特的一维管状结构和性能以来，它已经引起了广泛的关注，其作为一种理想的结构复合材料的加固剂，碳纳米管因此具有强大的机械性能，如，杨氏模量分别为950GPa，1TPa的多壁碳纳米管和碳纳米管。碳纳米管还具有优异的电学特性，通过对它们直径和螺旋度的控制，使其在分子或纳米器件构建的方面得以应用。管状空心腔使得它们在纳米结构反应器中得以应用。此外，其拥有的高表面积，低电阻率，以及良好的化学稳定性，使得碳纳米管在催化剂，超级电容器，锂离子电池材料以及生物领域的等应用方面都存在着巨大的潜能。大多数应用都依赖于碳纳米管功能化的表面。适当的改性不仅会提高碳纳米管的相关性能，也是一个制备新型复合材料的有效方法，更重要的是，它将拓展碳纳米管的应用实践。

近年来，磁性材料应用专注于对碳纳米管填充纳米颗粒，或涂覆一层磁壳，特别是制备由磁性氧化铁包覆碳纳米管的纳米复合材料。Chunyue Cui等人通过热分解法成功合成了一种具有良好吸附性、磁性能以及微波吸收性的磁性Fe₃O₄包覆的碳纳米管，其饱和磁化强度达到20emu/g左右。Yan Shan等人所成功合成的磁性Fe₃O₄包覆的多壁碳纳米管是利用液相法制备，其饱和磁化强度达到30emu/g左右；Syed Danish Ali等人利用CoCl₂·6H₂O和FeCl₃等所合成的CoFe₂O₄/CNTs纳米复合材料，其饱和磁化强度也达到了接近40emu/g,目前，磁性碳纳米管的制备因其稳定性基本都为液相法，再例如：Maryam Fayazi等人则利用FeSO₄·7H₂O、FeCl₃·6H₂O以及氨水成功制备出Fe₃O₄包覆的碳纳米管，其饱和磁化强度为13emu/g左右，同时也具有较好的吸附性。Xiao和他的同事利用一锅法制备出了Fe₃O₄纳米粒子包覆碳纳米管，他们通过溶剂热法利用二甘醇溶液、多壁碳纳米管和氯化铁溶液来避免多壁碳纳米管表面改性。在这里，我们介绍了合成包覆Fe3O4纳米粒子的碳纳米管的一种简单方法，所得到的磁性纳米管与纯碳纳米管相比具有更好的生物相容性和物理化学性能。

但是，采用目前各类方法的磁性碳纳米管，虽然各项性能不错，但是由于制备过程过于复杂、困难，且制备原料大多对环境不利，使得其无法实现量产，导致其目前的研究仍旧处于小规模探索中，继而在大多数研究人员的研究背景下，其制备方法总体趋势仍旧没有发生改变。

发明内容

本发明的目的是提供一种磁性碳纳米管的制备方法，它能有效地解决目前工艺制备的成本高、难度大的问题，且完全可以实现量产。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：通过控制工艺、浓度、退火温度、退火时间等重要参数，使碳纳米管的磁性呈现出不同的变化规律，从而制备出一种高饱和磁化强度及化学稳定性较好的的磁性碳纳米管。

一种磁性碳纳米管的制备方法，包含如下的工艺步骤：

第一步，配制浓度为0.5～2mol/L的Fe(NO₃)₃·9H₂O酒精溶液，以平均直径20～50纳米的碳纳米管为原料，将该碳纳米管放入配制好的酒精溶液中，利用超声波进行分散和搅拌10～20分钟，取出碳纳米管，用滤纸对其进行过滤后，在60℃的条件下真空烘干2小时，获得碳纳米管-硝酸铁复合粉末；

第二步，将碳纳米管-硝酸铁复合粉末放入气体氮化炉中，在纯度99.99％的流动的氩气保护下升温至550～650℃，然后以1～2立方米/小时的流量通入氨气进行25～35分钟的气体氮化处理，处理后在流动的氨气保护下冷却至室温，获得碳纳米管-铁氮合金复合粉末；

第三步，将碳纳米管-铁氮合金复合粉末放入真空炉中，在炉内压力<1Pa，温度为500～600℃的条件下进行10～30分钟的退火处理，然后在真空条件下随炉冷至室温取出，即可获得饱和磁化强度超过80emu/g的高饱和磁化强度的磁性碳纳米管复合材料。