[发明专利]一种蒸气辅助臭氧功能化处理纳米碳材料的方法

说明书

本发明公开了一种蒸气辅助臭氧功能化处理纳米碳材料的方法。将纳米碳材料在溶剂蒸气保护的条件下进行臭氧功能化处理，采用普通氧气或压缩空气作为氧气源，在纳米碳材料的表面引入一定量的含氧官能团和缺陷位。臭氧处理操作温度为20～80℃；臭氧生产速率为2g/h；用于饱和蒸气源的溶剂包括水、30％的双氧水或乙醇等常用溶剂，其产生饱和蒸气的温度为20～80℃；反应空速为1000～18000ml/g·h，反应时间为0～120min；该方法操作简单，反应过程不需要前处理或后处理过程，能够得到较高的含氧官能团，并且通过调变操作参数，可以有选择性的引入含氧官能团的种类和含量，尤其是羧基含氧官能团，并对环境无污染、环保高效。

技术领域

本发明涉及纳米碳材料功能化技术领域，具体涉及一种蒸气辅助臭氧功能化处理纳米碳材料的方法。

背景技术

纳米碳材料，包括碳纳米管(CNT)、碳纳米纤维(CNF)、石墨烯、纳米金刚石及其复合材料，在近几十年以来，作为多种催化反应的载体或直接作为非金属催化剂得到广泛应用。纳米碳材料的表面化学性质对于缺陷位的产生及在反应中对反应物分子的活化起着不可忽视的作用，尤其是像包括羰基、羧基、酮基等在内的含氧官能团，可以通过多种功能化手段，在纳米碳材料表面进行强化生长。目前常用的手段包括气相氧化法，主要通过带有氧化性质的气体氧化纳米碳材料；液相氧化法，主要采用强氧化物的溶液对纳米碳材料进行氧化，例如H₂O₂、KMnO₄及浓硝酸等溶液。然而，这些功能化手段多基于较为苛刻的反应条件，在反应过程中产生大量腐蚀性废液，并需要大量溶剂对样品进行清洗，不但造成反应仪器的腐蚀，且后处理手续复杂，造成大量能耗资源的浪费及环境污染，其工业化前景也不被看好。

相比而言，臭氧是一种具有氧化性的气体，理论上通过臭氧功能化碳纳米管得到含氧官能团是可行的。然而目前为止，大多数的实验室纳米碳材料臭氧功能化过程均基于较高的反应温度、较长的反应时间，且不能得到令人满意的含氧官能团数量。研究学者进一步通过包括紫外、超声辅助臭氧功能化过程，或采用氧化性溶剂中臭氧功能化过程，促进含氧官能团的生长。这些方法获得了较高的氧官能团含量，然而其反应过程由于特殊手段及腐蚀性溶剂的引入，仍然不具备工业化的基础条件。因此研发新型绿色环保的纳米碳材料功能化方法，显得既有意义又富有挑战性。

发明内容

为了解决目前纳米碳材料含氧官能团功能化工艺的复杂性、环境污染问题、低效能所造成的多种功能化处理手段不易被工业化应用的难题，本发明提供一种绿色经济环保的蒸气辅助臭氧功能化处理碳纳米管的方法，所述臭氧功能化处理方法操作简单，不需要任何前后预处理过程，功能化过程绿色经济环保，反应过程中不需要强酸及腐蚀性溶剂的引入，并最大程度减少水电资源的消耗，同时可以得到较高含量和良好选择性的含氧官能团，尤其是羧基基团。

为实现上述目的，本发明技术方案如下：

一种蒸气辅助臭氧功能化处理纳米碳材料的方法，将常用纳米碳材料通过溶剂水蒸气辅助的条件下，进行臭氧功能化处理，获得不同比例的含氧官能团和缺陷位。

一种蒸气辅助臭氧功能化处理纳米碳材料的方法，如图1所示，具体步骤为：

称取碳纳米材料装入石英反应管中，每1克纳米碳材料以1-100L/h的流速通入混合原料气，通过臭氧机产生臭氧/氧气混合气，臭氧生产速率为1-100g/h，经过水浴加热器，携带溶剂的饱和蒸气进入反应石英管中；反应温度为20-80℃，；反应时间为5-240min。

所述纳米碳材料包括管径在5-100nm的1-50石墨层的碳纳米管、管径在5-100nm的纳米碳纤维、管径在5-100nm和氮元素原子百比在1-15％的氮元素掺杂碳纳米管、粒径在3-20nm的纳米金刚石、粒径在3-20nm的纳米洋葱碳、1-20石墨层的石墨烯或石墨片，或平均孔径在3-100nm的介孔碳材料，及其任意2种至3种纳米材料组成的复合型材料。

所述流速优选为5-20L/h。