[发明专利]一种制备铁纳米颗粒/大直径碳纳米管复合材料的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种制备铁纳米颗粒/大直径碳纳米管复合材料的方法，特别涉及一种高压釜中通过氮气辅助低温宏量制备Fe-NP/LD-CNTs复合材料的方法。

背景技术

作为纳米材料的代表之一，碳纳米管因其独特的一维结构具备了优异的力学、电学、热学、光学和反应性能，使其在能源存储与转化、复合材料、多相催化、环境保护及生物医药等领域具有大量的应用潜力(ACS Cent. Sci., 2016, 2: 162-168；ACS Appl. Mater. Interfaces, 2016, 8：6004-6010；ACS Catal., 2012, 2：223-229；ACS Appl. Mater. Interfaces, 2014, 6：8859-8867.)。尽管石墨烯的出现分流了不少碳纳米管的研究关注度，但是碳纳米管仍然是目前研究最为充分、关注度最高的新型纳米材料，其关注的热点也逐渐从可控制备、结构表征过渡到功能化、性能发挥及应用研究。

实现基于碳纳米管的各种应用，首先要实现结构和性能可控的碳纳米管批量制备。在过去的20年中，人们开发了电弧放电法、激光蒸发法和化学气相沉积法等可控制备碳纳米管[J. Mater. Chem., 2011, 21: 15872-15884, J. Phys. Chem. B, 2006, 110: 7316-7320; Nanoscale, 2013, 5: 6662-6676.]。1991年，Iijima等在电弧放电法得到的碳灰中观察到了多壁碳纳米管[Nature, 1991, 354: 56-58.]。Ebbesen和Ajayan采用改进的电弧放电方法获得了克量级规模的多壁碳纳米管[Nature, 1992, 358: 220-222.]。电弧法具有生长快速，工艺参数较易控制的特点，而且制得的纳米碳管管直、结晶度高。然而，电弧法生长温度相对高，制备装置相对复杂，电弧放电过程难以控制，制备的碳纳米管的产率低，制备成本高，其工业化生产还需进一步探索 [J. Mater. Chem., 2011, 21, 15872-15884.]。激光蒸发法是将掺杂 Fe, Co, Ni 等过渡金属的石墨靶材，在反应温度1200 ℃下，在惰性气体(He)保护下用激光轰击靶材表面制备碳纳米管的方法。此方法的优点是制备的碳纳米管纯度高，易于连续生产，但能耗高、实验设备复杂、制备成本高，不适合大规模生产[Carbon, 2012, 50: 4450-4458.]。化学气相沉积法(CVD)，通常是在一定温度下，在催化剂的作用下裂解含碳气体或液体碳源从而生成碳纳米管，故此方法又称为催化裂解法，具有设备简单，成本低，产量大等优点，缺点是石墨化程度不高、杂质多、产率低。催化剂一般为过渡金属(如 Fe、Co、Ni、Pd 等)，碳源可以是甲烷、CO、乙烯等含碳气体，也可以是苯、甲苯等液体 [Mater. Sci. Semicon. Proc., 2016, 41: 67-82.]。

目前，对碳纳米管的制备研究较多，但其制备方法和制备工艺中仍存在许多问题有待解决。首先，如何在降低成本的基础上大批量生产出符合各领域要求的不同尺寸碳纳米管仍是限制碳纳米管商品化的问题；其次，某些制备方法得到的碳纳米管生长机理还不明确，影响碳纳米管的产量、质量及产率的因素也不清楚；现在各种方法制备的碳纳米管都存在杂质高、产率低等缺点。这些都是制约碳纳米管研究和应用的关键因素。由于技术上和经济上的原因，碳纳米管离开实际应用尚有相当的距离。不过一旦其制备技术取得突破，必将带动整个纳米技术的发展，同时也必将带动一系列相关高科技产业的兴起和发展，引发一场新科技革命，给整个社会带来巨大的利益。若希望能够连续批量地制备碳纳米管，则需要考虑如何实现大型工业反应器中的催化过程、反应器热量和反应物的传递问题。碳纳米管的形成过程是由一条自下而上的自组装的离散过程，但批量制备是一个包含了宏观流动、反应、热量输送、质量传递的连续过程。

因此，寻找一种热量和质量输送优异的简单经济反应体系，对宏量制备优质碳纳米管和扩大其应用方面具有特别重要的意义。

发明内容