[发明专利]一种碳纳米管的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及碳纳米管制备技术领域，具体而言，涉及一种碳纳米管的制备方法。

背景技术

碳纳米管形状是具有中空的管状结构，其组成主要是sp2杂化的碳，是石墨、金刚石、石墨烯的同素异形体。根据其管壁层数的不同，主要可以分为单壁碳纳米管(1层，管径0.6-2nm)、少壁碳纳米管(2-5层，管径2-6nm)和多壁碳纳米管(>5层，管径>6nm)。碳纳米管最早是被日本科学家Iijima用电弧放电法发明，之后又有激光烧蚀法，化学气相沉积法和催化化学气相沉积法。

目前最为流行的碳纳米管工业生产方法是化学气相沉积法，其原理是碳源-烃(甲烷、乙烷、乙烯、丙烯、丁烯、乙炔、甲醇、乙醇、丙酮、苯、甲苯等)中的碳元素于一定条件下在金属催化剂的表面析出生长为管状的碳纳米材料。

金属催化剂主要是金属及其化合物，通过特定的方法如凝胶-溶胶、共沉淀、尿素水解等方法制得。通常的核心催化剂金属主要是Fe、Co、Ni、Mn、Y、Cu、Mo、Zn，并且混有载体金属Mg、Al、Si、Ti、Zr等。

目前中等管径碳纳米管的生产方法产率较低(15～20倍，中国专利申请CN101927995A)，生产速率较慢(30～60分钟)，成为制约中等管径碳纳米管生产成本的重要原因。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明提供一种碳纳米管的制备方法，本发明的制备方法产率高、生产速率快，并且制得的碳纳米管管径均匀、导电性好和易分散。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种碳纳米管的制备方法，包括以下步骤：

(1)将甲醇和丙酮按照0.5-2:1的质量比混合，低压雾化处理后，所述低压为0.1-0.5atm，得到碳源；

(2)在石英管式炉内，将催化剂放在硅片上，通入载气，对硅片加热，控制温度升高到600-700℃进行预热，压强在0.1-0.5atm，通入氢气还原催化剂3-10min，然后温度降至500-550℃，通入步骤(1)中的碳源，制得碳纳米管。

进一步，所述预热温度为650℃。

进一步，所述步骤(1)中，甲醇和丙酮经过低压雾化处理后，还经过等离子体处理。甲醇、丙酮中含有氧元素，在等离子体处理下易产生含氧自由基，能够氧化碳纳米管表面的不定形碳，延长催化剂的使用寿命，因此制备的碳纳米管较长，表面相对纯净。

进一步，所述步骤(2)中，对催化剂占据的硅片的部分进行加热，局部加热能够为反应提供更充足及时的能量供应。

进一步，所述步骤(2)中，通入氢气还原催化剂5min。

进一步，所述步骤(2)中，通入碳源后反应时间为5min。

进一步，所述步骤(2)中，通入氢气的流速为100mL/min。

进一步，所述步骤(2)中催化剂的制备方法为：将金属盐和尿素加入纯水中，90℃下加热反应4-8小时后过滤得沉淀物，在CO₂的气氛下利用等离子体对沉淀物加热，控制温度在500℃，煅烧15min，经过研磨后过80目筛，得到粉末状的催化剂。

进一步，所述金属盐包括核心催化金属和载体金属，所述核心催化金属为Co(NO₃)₂·6H₂O、Mn(NO₃)₂·4H₂O和Cu(NO₃)₂·3H₂O中的一种或几种；所述载体金属为Zr(NO₃)₄·5H₂O和Al(NO₃)₃·9H₂O中的一种或两种。

进一步，所述步骤(2)中，得到的碳纳米管的管径为40-60nm。

本发明的有益效果如下：

1、本发明采用低压雾化、等离子体处理碳源，促进碳源分解出活性物质；采用局部加热催化剂，较高温度下和低压下用氢气还原催化剂，都能够增加催化剂的反应活性，双方面的活性提高，明显提高了反应速率，将碳纳米管的制备周期由30-60min缩短到5min；

2、本发明利用尿素水解缓慢的特点，使金属盐与尿素反应4-8小时，从而产生的沉淀均一性好，后续产生的催化剂粉末粒径均匀，催化效率高；

3、本发明的制备方法产率高，能达到30g碳纳米管/1g催化剂；生产的碳纳米管易于分散，一步球磨后即能在N-甲基吡咯烷酮(NMP)中分散。